НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ „ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА”

Кузь Микола Васильович

УДК 622.691

МЕТОДИ ТА ПРИСТРОЇ ЗМЕНШЕННЯ ВПЛИВУ

КЛІМАТИЧНИХ ФАКТОРІВ НА ОБЛІК ГАЗУ

В КОМУНАЛЬНО-ПОБУТОВІЙ СФЕРІ

05.11.01 - Прилади та методи вимірювання механічних величин

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Львів - 2006

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Івано-Франківському національному технічному університеті нафти і газу Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: | кандидат технічних наук, доцент

Петришин Ігор Степанович

Івано-Франківський національний технічний університет нафти і газу, професор кафедри інформаційно-вимірювальної техніки

Офіційні опоненти: | доктор технічних наук, с.н.с.

Колпак Богдан Дмитрович

Державне підприємство „Науково-дослідний інститут метрології вимірювальних і управляючих систем” (ДП НДІ „Система”) Державного комітету України з питань технічного регулювання та споживчої політики (м. Львів), заступник директора з наукової роботи та якості

кандидат технічних наук

Бродин Юрій Іванович

ЗАТ „Інститут енергоаудиту та обліку енергоносіїв” (м. Львів), старший науковий співробітник

Провідна установа: | Національний науковий центр „Інститут метрології” Державного комітету України з питань технічного регулювання та споживчої політики (м. Харків).

Захист відбудеться 04.07.2006 р. о 13 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 35.052.04 у Національному університеті „Львівська політехніка” МОН України (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 02.06.2006 р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради, к.т.н., доцент Вашкурак Ю.З.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Широке застосування природного газу як енергоносія в комунально-побутовому секторі в зв’язку з перерозподілом структури споживання газу між промисловістю і населенням ставить додаткові вимоги до підвищення точності його обліку.

Вимогою до витратовимірювальної техніки є незалежність результатів вимірювань від впливових факторів і збереження працездатності і заданих характеристик після дії цих факторів. Для того, щоб облік газу був точним, вимірювання об’єму газу за допомогою лічильника необхідно здійснювати в стандартних умовах (при стандартному значенні температури і тиску), або приводити виміряний лічильником об’єм газу до стандартних умов. На даний час, в комунально-побутовій сфері лічильники вимірюють дійсні об’єми газу з реальними тисками і температурами, а коли вони значно відрізняються від значень тиску і температури за стандартних умов, це призводить до виникнення додаткової похибки вимірювань і, як наслідок, до недостовірного обліку спожитого газу. Відомі на даний час математичні методи уточнення облікованого в побуті об’єму газу вимагають додаткового вимірювання тиску і температури газу і вже потім подальшого його приведення до стандартних умов.

У промисловій сфері об’єми газу, виміряні лічильниками в реальних умовах, приводять до стандартних умов за допомогою електронних коректорів об’єму газу. У комунально-побутовій сфері ці коректори не знайшли застосування із-за відносної дороговизни. Натомість, останнім часом росте попит на побутові лічильники газу з елементами температурної компенсації (в першу чергу мембранні). Газозбутові організації при використанні побутових лічильників без елементів компенсації, в холодну пору року зазнають втрат порядку 5-8% від всього об’єму спожитого газу в комунально-побутовій сфері. Встановлення таких лічильників є необхідним з точки зору зменшення втрат цих організацій. Однак, поза увагою залишається тиск газу, який суттєво залежить від атмосферного тиску. Компенсація впливу атмосферного тиску на обліковані в побуті об’єми газу, також є необхідною, в зв’язку з наявністю в Україні високогірних населених пунктів, споживачі газу в яких несуть значні збитки із-за того, що атмосферний тиск в цих районах значно менший від тиску за стандартних умов. Але як вітчизняні так і закордонні виробники засобів обліку газу не обладнують побутові лічильників газу пристроями компенсації тиску.

Також актуальним напрямком є розроблення простих математично-статистичних методів приведення облікованого об’єму газу до стандартних умов шляхом введення поправочних коефіцієнтів до показів побутових лічильників газу без проведення додаткових вимірювань тиску та температури газу, за допомогою яких можна було би покращити точність обліку газу в комунально-побутовій сфері. Тому проблема дослідження можливостей вдосконалення існуючих та розроблення нових методів і пристроїв компенсації тиску та температури газу облікованого в комунально-побутовій сфері є актуальною, а її вирішення – важливою частиною задачі прикладних та наукових досліджень у галузі обліку газу.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Вибраний напрямок досліджень пов’язаний з такими науково-дослідними темами, що виконувалися в Івано-Франківському національному технічному університеті нафти і газу та Державному підприємстві "Івано-Франківський регіональний науково-виробничий центр стандартизації, метрології та сертифікації":

- "Дослідження впливу температурного фактору навколишнього та робочого середовища на достовірність обліку газу в комунально-побутовій сфері". Тема виконувалась в 2001 р. відповідно до договору з ВАТ "Івано-Франківськгаз". Автор був відповідальним виконавцем даної теми;

- "Розробка, підготовка матеріалів та видавництво довідника "Облік природного газу". Тема виконувалась в 2002-2003 рр. відповідно на замовлення "Київтрансгазу". Автор був відповідальним виконавцем даної теми;

- "Розроблення таблиць та номограм для визначення температурних поправочних коефіцієнтів до показів побутових лічильників газу в експлуатації". Тема виконувалась в 2003-2004 рр. на замовлення НАК "Нафтогаз України". Автор був виконавцем даної теми;

- „Розроблення методики застосування номограм та програмного забезпечення для визначення поправочних коефіцієнтів до показів побутових лічильників газу”. Тема виконувалась в 2005 р. на замовлення НАК "Нафтогаз України". Автор був науковим керівником даної роботи.

Мета і задачі дослідження. Мета дисертаційної роботи полягає у розробці пристроїв і методів для підвищення точності обліку газу в комунально-побутовій сфері.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі задачі:

- здійснити класифікацію та порівняльний аналіз існуючих методів та пристроїв уточнення об’єму газу із врахуванням параметрів газового потоку;

- розробити математичні моделі процесів теплообміну та впливу атмосферного тиску, що відбуваються при транспортуванні газу комунально-побутовим споживачам;

- розробити прості математично-статистичні методи та механічні пристрої приведення об’єму газу до стандартних умов;

- обґрунтувати доцільність та перспективність практичного застосування механічних пристроїв та приладів для компенсації впливу тиску та температури газу на обліковані об’єми газу в комунально-побутовій сфері.

Об’єкт дослідження – облік природного газу в побуті.

Предмет дослідження – підвищення точності обліку об’єму газу в побуті за допомогою математично-статистичних та механічних методів корекції показів лічильників газу.

Методи дослідження. Поставлені задачі досягнуто шляхом проведення теоретичних і експериментальних досліджень процесів теплообміну, використанням положень математичного моделювання, математичної статистики та програмування, методів планування та постановки експерименту. При проведенні експериментальних досліджень було використане випробувальне обладнання та повірочні установки з робочими еталонами об’єму газу, які пройшли державну метрологічну атестацію в Головній організації Держспоживстандарту України з вимірювань об’єму та об’ємної витрати газу – Державному підприємстві „Івано-Франківський регіональний науково-виробничий центр стандартизації, метрології та сертифікації”.

Наукова новизна одержаних результатів. Основні наукові результати можна сформулювати таким чином:

- вперше розроблено математичну модель залежності температури газу, що облікується побутовими лічильниками, від температури повітря навколишнього та робочого середовища та математичну модель залежності тиску газу в газопроводі від висоти розташування точки вимірювання об’єму газу над рівнем моря, що дає змогу коректувати виміряний лічильником об’єм газу з врахуванням його тиску і температури обчислених на основі статистичних даних гідрометеорологічних служб;

- вперше запропонований новий графічний метод приведення облікованого об’єму газу до стандартних умов, що дає змогу швидко, без вимірювання впливових фізичних величин, здійснити корекцію показників лічильників газу;

- вперше розроблений метод та пристрої прямої механічної корекції показів лічильників газу, що дає змогу без втручання в роботу лічильника газу, за допомогою додатково вмонтованого перед лічильником механічного коректора, відображати на засобах індикації лічильника величину об’єму газу за стандартних умов;

- вперше розроблена технічна та нормативна основа метрологічного забезпечення для здійснення державного метрологічного контролю розроблених способів та засобів корекції.

Практичне значення одержаних результатів. На основі проведених теоретичних досліджень розроблений дослідний зразок механічного коректора показів лічильників газу та установка для його повірки, методика коригування показів побутових лічильників газу та методика експериментальних досліджень з визначення коефіцієнта теплопередачі, програмний комплекс TempPressCorr для визначення поправочних коефіцієнтів до показів лічильників газу за допомогою ПЕОМ.

Розроблені в дисертації методи і рекомендації впроваджені в НАК „Нафтогаз України”, ВАТ „Івано-Франківськгаз”, Державному підприємстві „Івано-Франківський регіональний науково-виробничий центр стандартизації, метрології та сертифікації” та Івано-Франківському національному технічному університеті нафти і газу.

Особистий внесок здобувача. Основні результати дисертаційної роботи отримані автором самостійно, на основі власних ідей і розробок, а окремі – досягнуті у співавторстві з науковим керівником та колегами за місцем праці. У публікаціях, в яких викладено результати досліджень і які написані у співавторстві, дисертанту належать: встановлення залежності облікованого об’єму газу від кліматичних факторів [1,2,4,11-13]; планування експериментального дослідження процесів теплообміну робочого та навколишнього середовища при обліку газу в побуті [5,8]; запропоновані методи побудови номограм для приведення облікованого об’єму газу до стандартних умов [3,6,10]; запропонований метод прямої корекції показів лічильників газу за допомогою механічних компенсаторів [7,14]; проаналізована доцільність зміни номінального значення температури газу за стандартних умов [9].

Апробація результатів дисертації. Робота в цілому та її окремі результати доповідалися та обговорювалися на науково-технічних конференціях і семінарах:

- ІІІ міжнародна науково-технічна конференція "Метрологія та вимірювальна техніка (Метрологія – 2002)", м. Харків, 8-10 жовтня 2002 р.;

- третя всеукраїнська науково-технічна конференція "Вимірювання витрати та кількості газу і нафтопродуктів", м. Івано-Франківськ, 26-28 березня 2003 р.

- Х- науково-технічна конференція "Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах", м. Хмельницький, 28-31 травня 2003 р.;

- третя науково-технічна конференція "Приладобудування 2004: Стан і перспективи", м. Київ, 20-21 квітня 2004 р.;

- ІV міжнародна науково-технічна конференція "Метрологія та вимірювальна техніка (Метрологія – 2004)", м. Харків, 12-14 жовтня 2004 р.;

- четверта всеукраїнська науково-технічна конференція "Вимірювання витрати та кількості газу і нафтопродуктів", м. Івано-Франківськ, 17-20 травня 2005 р.

Публікації. За темою дисертації опубліковано 14 робіт, з них 5 праць у фахових виданнях, в тому числі 1 – одноособова, 7 – у збірниках матеріалів і тез науково-технічних конференцій, отримано 2 патенти на винаходи.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, 4 розділів, висновків, викладених на 117 сторінках тексту, 41 рисунку, 24 таблицях, списку використаних джерел, що містить 113 найменувань та 8 додатків на 28 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі розкрито стан наукової проблеми та її значимість, обгрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, показано зв’язок вибраного напрямку досліджень з науковими програмами, планами, темами, сформульовано мету та основні задачі досліджень, подано наукову новизну і практичне значення отриманих результатів, визначено особистий внесок здобувача, наведено дані про впровадження результатів роботи, її апробацію та публікації.

У першому розділі розглянуто стан обліку газу в комунально-побутовій сфері. Показано, що облік газу в побуті ведеться, в основному, мембранними та роторними лічильниками газу з робочими параметрами газу, тобто без його приведення до стандартних умов. Внаслідок цього похибка обліку газу збільшується на 5-8%, на відміну від похибки обліку, який ведеться за стандартних умов.

Проведена класифікація методів уточнення об’єму газу із врахуванням параметрів газового потоку дала змогу окреслити коло проблем, пов’язаних із необхідністю застосування електронних та механічних засобів приведення виміряного лічильниками об’єму газу до стандартних умов. Здійснено порівняльний аналіз розрахункових, електронних та механічних способів приведення об’єму газу до стандартних умов, що дало змогу оцінити найбільш адекватну сферу їх використання при обліку газу. Запропоновано у галузі вимірювання витрати газу для побутових потреб використовувати механічні коректори об’єму газу із-за їхньої відносної дешевизни. Доцільним є розроблення нових методів приведення об’єму газу до стандартних умов, використання яких виключало б необхідність проведення вимірювань тиску та температури газу в газопроводі, на якому встановлений побутовий лічильник газу.

В цьому ж розділі визначено та обґрунтовано напрям досліджень.

В другому розділі викладені результати теоретичних досліджень впливу кліматичних факторів на достовірність обліку газу в побуті, в першу чергу, температури повітря навколишнього середовища та атмосферного тиску.

Побутовими лічильниками газу обліковується газ, температура і тиск якого відрізняються від значень цих фізичних величин за стандартних умов. Експериментальне визначення цих величин, тобто їх вимірювання первинними перетворювачами температури та тиску не знайшло застосування в побуті із-за необхідності використання відносно дорогих коректорів чи обчислювачів об’єму газу. Альтернативним методом є визначення, шляхом теоретичних досліджень, величини температури і тиску газу, що обліковується в побуті. Точкою, з якої варто розпочати дослідження є газорозподільні станції, де проводиться вимірювання витрати, тиску та температури газу. Під час руху реального газу в газопроводі його температура змінюється за рахунок теплообміну з навколишнім середовищем і термодинамічної неідеальності газу [4]. Теплообмін пов’язаний з температурним полем, яке створюється навколо газопроводу. Теплові режими газопроводів були обчислені за формулою Шухова [4] для двох областей України: Сумської, клімату якої притаманні найнижчі значення середньомісячних температур та АР Крим, де спостерігаються найвищі середньомісячні температури. Різниці температур газу в підземних газопроводах на глибині їх прокладання та температур грунту по довжині прокладання цих газопроводів в даних областях наведені на рис. 1 та рис. 2.

Рисунок 1. Різниця температур в лютому місяці в підземному газопроводі та температур грунту по довжині прокладання газопроводів. | Рисунок 2. Різниця температур в серпні місяці в підземному газопроводі та температур грунту по довжині прокладання газопроводів.

Одержані дані розрахунків (рис. 1 та рис. 2) свідчать про те, що уже на відстані 15 м від газорозподільної станції в теплу пору року (серпень) і 45 м в холодну пору року (лютий), температура газу в підземному газопроводі менше як на 0,5 С відрізняється від температури грунту. У такому випадку, згідно нормативних документів [Р 50-071-98] вплив температури такої величини на точність вимірювання об’єму газу можна не враховувати. Відповідно до вимог державних будівельних норм [ДБН В.2.5-20-2001] газорозподільні станції розміщуються на відстані не менше як 15 м від найближчого житлового приміщення. Отже, з достатньою імовірністю можна стверджувати, що при розрахунках температуру газу, що поставляється в комунально-побутову сферу підземними газопроводами можна приймати рівною температурі грунту на глибині прокладання газопроводу.

Аналогічно розраховані температурні режими надземного газопроводу, по якому газ подається в приміщення. Одержані дані розрахунків [4] свідчать про те, що уже на відстані 2-2,5 м від місця виходу газопроводу із землі температура газу в надземному трубопроводі практично досягає температури повітря навколишнього середовища. Звідси можна зробити висновок, що газ в житлове приміщення входить з температурою повітря навколишнього середовища. Тому, у випадку встановлення лічильника газу надворі, температура облікованого ним газу теж буде рівна температурі повітря навколишнього середовища. Температура газу, облікованого лічильником, що знаходиться в опалювальному приміщенні, визначалася наступним чином. Відповідно до вимог міжнародних нормативних документів з метрології [OIML 31], характерною температурою газу, що обліковується, є його температура на виході із лічильника газу. На вхід газопроводу, розміщеного в опалювальному приміщенні, газ поступає із температурою рівною температурі повітря навколишнього середовища. Тому досліджувалась система, що складається із ділянки трубопроводу та лічильника газу. На основі формул, що описують процеси теплообміну в трубопроводах [Ходанович И.Е., Кривошеин Б.Л., Бикчентай Р.Н., 1971] та тонких стінках геометричних тіл (лічильник) [Уоинг Х., 1979], а також з використанням результатів експериментальних досліджень з визначення коефіцієнтів теплообміну [5] виведена формула для визначення температури газу, облікованого побутовими лічильниками газу, яка має вигляд:

, (1)

де – температура середовища (повітря) навколо лічильника газу, – температура повітря навколишнього середовища, – об’ємна витрата газу, – зовнішній діаметр трубопроводу, підведеного до лічильника, – довжина цього трубопроводу, – коефіцієнт теплообміну між газом в лічильнику та повітрям навколо лічильника, – площа поверхні теплообміну в лічильнику, – густина газу, – питома теплоємність газу.

Формула (1) є математичною моделлю залежності температури газу від температури повітря навколишнього та робочого середовища для побутових лічильників газу.

Іншим, суттєвим, фактором, що впливає на достовірність обліку газу є абсолютний тиск газу, складовими якого є атмосферний та надлишковий тиск. Для України вплив атмосферного тиску на обліковані об’єми газу має суттєве значення із-за різного географічного розміщення населених пунктів над рівнем моря. Для ізотермічної атмосфери залежність атмосферного тиску від висоти над рівнем моря описується барометричною формулою [2]:

, (2)

де – атмосферний тиск на висоті, прийнятій за початок відліку, – молярна маса повітря, – прискорення вільного падіння, – універсальна газова стала, – температура атмосферного повітря.

У формулі (2) величини , , є сталими і тоді її можна записати так:

, (3)

де .

Як видно із формули (3) для достовірного визначення тиску крім значення висоти над рівнем моря необхідно мати дані про температуру атмосферного повітря на цій висоті, що викликає певні труднощі, оскільки, порівняно із постійною величиною , значення температури змінюється у великому діапазоні в залежності від пори року та погодних умов. Оскільки висоти населених пунктів над рівнем моря порівняно менші за висоту повітря всієї атмосфери, то експоненціальна залежність формули (3), в діапазоні географічних висот розміщення населених пунктів в Україні, матиме практично лінійний характер, тому автором розроблено нову математичну модель, яку отримано шляхом апроксимації архівних даних Українського гідрометеорологічного центру реальних значень атмосферних тисків населених пунктів розташованих на різних висотах над рівнем моря і яка представляється такою аналітичною залежністю:

, (4)

де К і N – сталі коефіцієнти.

У формулі (4) відсутня така фізична величина, як температура атмосферного повітря . Ця перевага дає можливість використовувати формулу (4) для розрахунків атмосферного тиску реальної (неізотермічної) атмосфери, маючи, як вихідні дані, тільки значення висот населених пунктів над рівнем моря.

Для порівняння, на рис. 3 побудована також криві за значеннями, обчисленими згідно формул (3) та (4).

Рисунок 3. Дані середньорічних значень атмосферного тиску в регіонах України та криві, побудовані згідно (3) і (4).

1 - середньорічні значення атмосферного тиску; 2 – крива побудована згідно (3),

3 - апроксимаційна крива побудована згідно (4).

Обчислені значення середньоквадратичних відхилень відомої (формула (3)) та розробленої (формула (4)) моделей від експериментальних даних становлять 64 та 31 Па відповідно. Таким чином розроблена модель краще описує зміну атмосферного тиску в регіонах України, в залежності від висоти їх розміщення над рівнем моря і може служити основою для розрахунків при приведені облікованого в побуті газу до стандартних умов.

В загальному, для всіх варіантів встановлення лічильника газу (надворі, в опалювальному приміщені), математична модель впливу кліматичних факторів на обліковані об’єми газу в побуті матиме вигляд:

де – об’єм газу за стандартних умов [ГОСТ 2939-63], – об’єм газу, обчислений за показами лічильника, – надлишковий тиск газу, – сталі коефіцієнти.

Формула (5) є узагальненою математичною моделлю впливу кліматичних факторів на обліковані об’єми газу в побуті. Ця модель зручна для розрахунків спожитого об’єму газу тим, що дані, які необхідні для розрахунків, в основному, всі довідкові (). Крім того немає необхідності у вимірюванні основних інформативних параметрів газу: його тиску і температури. Для приведення облікованого об’єму газу до стандартних умов необхідно здійснити вимірювання температури повітря в приміщенні, де встановлений лічильник газу, довжини газопроводу від входу в приміщення до вхідного штуцера лічильника та діаметр газопроводу. За показами лічильника газу в звітний період (наприклад, місяць), можна обчислити відповідно до формули (5) облікований об’єм газу за стандартних умов.

Найбільшою і найменшою температура газу на виході із лічильника газу буде у випадку встановлення лічильника газу надворі, або в неопалювальному приміщенні. Однак таке встановлення лічильників в Україні не знайшло широкого застосування. Характерним в Україні є встановлення побутових лічильників газу в опалювальних приміщеннях, температура в яких становить близько 20 °С. В роботах [4,5] проведені дослідження процесів теплообміну між газом, що обліковується побутовими лічильниками та повітрям в приміщенні. На основі цих досліджень обчислені середні температури газу, облікованого лічильниками газу, в умовах температурних режимів України та мають значення, наведені на рис. 4.

Рисунок 4. Середні температури газу, який обліковується побутовими лічильниками

– номер місяця в році

Як видно із рис. 4 середнє значення температури газу (14 °С) ближче до 15 °С, ніж до 20 °С. В чинних нормативних документах [ГОСТ 2939-63] наведене значення температури газу за стандартних умов, яке становить 293,15 К (20 °С). При приведенні об’єму газу до умов, коли стандартна температура буде становити 15 °С, втрати газу зменшаться від 0,5 до 4,4 % (зміна температури газу на 1 °С призводить до зміни його об’єму на 0,34 %). На даний час в більшості країн Європи прийнята за стандартну саме температура 15 °С. Тому актуальним є питання перегляду діючих нормативних документів [ГОСТ 2939-63] на предмет зміни номінального значення температури газу за стандартних умов.

Третій розділ присвячено моделюванню методів та розробці на їх основі пристроїв компенсації впливу атмосферного тиску і температури повітря навколишнього середовища на облікований об’єм газу в побуті.

Розроблено метод механічної корекції об’єму газу [7,14], яка здійснюється способом регулювання подачі газу з вхідного газопроводу в лічильник, з врахуванням змін температури та тиску газу, відбиранням (або додаванням) частини об’єму газу з (або до) потоку, що поступає в лічильник таким чином, щоб відліковий пристрій лічильника газу відображав об’єм, який рівний об’єму газу за стандартних умов, при цьому кількість газу, яка поступає на газоспоживальне обладнання, залишається незмінною.

Рисунок 5. Схема механічного коректора об’єму газу.

1- корпус, 2- камера вимірювання тиску, 3- камера вимірювання температури, 4- сильфон, 5- тяга, що з’єднує сильфон з біметалічною пластиною, 6- тяга, що з’єднує біметалічну пластину з регульованою засувкою, 7- біметалічна пластина, 8- регульована засувка, 9- трубка для відбирання газу, 10- трубка для подавання газу, 11- вхідний патрубок з’єднання коректора з лічильником, 12- вхідний патрубок з’єднання коректора з газопроводом, 13- вихідний патрубок з’єднання коректора з лічильником, 14- вихідний патрубок з’єднання коректора з газопроводом, 15- зона низького тиску

Вхідними величинами є об’єм та тиск газу, який поступає на вхід лічильника та температура газу на виході лічильника. Вихідною величиною є об’єм газу, приведений до стандартних умов. Тиск газу безпосередньо діє на сильфон, який змінює своє положення в залежності від величини тиску. Температура газу, який поступає з виходу лічильника, діє на біметалічну пластину, яка змінює своє положення в залежності від величини температури. В результаті поступального руху сильфона і біметалічної пластини регульована засувка буде на певну величину відкривати трубку для подавання чи відбирання газу.

Розроблено математичну модель механічного коректора об’єму газу яка має вигляд:

де – витрата газу, що протікає по трубках механічного коректора для відбирання з входу чи подачі газу на вхід лічильника газу, – різниця між об’ємом газу, виміряним лічильником і об’ємом газу за стандартних умов, – час протікання об’єму , – перепад тиску на кінцях трубки для подавання чи відбирання газу, – внутрішній радіус отвору трубки, – в’язкість газу, – довжина трубки, – площа сегменту, який в трубці відкриває засувка, – радіус отвору засувки, – загальне переміщення засувки, – конструктивні параметри сильфона, що використовуються при розрахунку величини його переміщення від дії тиску, – конструктивні параметри біметалічного компенсатора (пластини), що використовуються при розрахунку величини його переміщення від дії температури .

Розроблена модель дозволяє розрахунковим способом визначити геометричні параметри та технічні характеристики, які необхідні на стадії проектування механічного коректора об’єму газу.

На основі розробленого методу механічної корекції об’єму газу запропоноване технічне рішення – механічний коректор [7].

Для спрощення процесу обчислення температури газу за формулою (1) та абсолютного тиску газу за формулою (4) запропоновано використовувати номограми [6]. Розроблена методика номографування цих формул.

Перш за все, залежність (1) приводять до номографічного виду і записують рівняння елементів номограми в декартовій системі координат. Для цього з формули (1) виділяємо одне із рівнянь:

Для полегшення математичних перетворень та розрахунків, замінимо рівняння (7) на рівняння виду:

(8)

Для подальшого спрощення прологарифмуємо обидві частини рівняння (9)

(10)

Рівняння (17) представляє собою функціональну залежність із трьома змінними f1+f2=f3, де f1=-Ax, f2=-BF, f3=lnu, яку можна зобразити номограмою із вирівняних точок із трьома паралельними шкалами (рис. 6 а):

а) б) в)

Рисунок 6. Структурні елементи номограм.

З врахуванням рівняння (7) рівняння (1) можна записати наступним чином:

Рівняння (11) добре описується графічно, виходячи із теореми подібності трикутників (оскільки u набуває значень від 0 до 1) і зображається як показано на рис. 6 б.

Виходячи із закону Гей-Люссака температурний поправочний коефіцієнт буде визначатися за формулою:

(12)

Оскільки k пропорційний Тлвих, то в цьому випадку можна використовувати номограму із здвоєних шкал (рис. 6 в).

Для розроблення номограм з визначення поправочного барометричного коефіцієнта була використана методика побудови номограм із вирівняних точок із паралельними шкалами (рис. 6 а). Аналогічно, як у формулі (12) поправочний коефіцієнт до показів лічильника газу по тиску, можна виразити як:

, (13)

де – абсолютний тиск газу, визначений за формулою (4).

В четвертому розділі наведені результати розроблення технічної та нормативної основи метрологічного забезпечення методів та пристроїв корекції виміряного побутовими лічильниками об’єму газу.

На основі запропонованої методики побудовані номограми для визначення поправочних коефіцієнтів до показів лічильників газу для різних типів та типорозмірів лічильників газу. Приклад номограми для лічильника газу мембранного G6 МКМ та ключ до користування нею наведений на рис. 7 та рис. 8.

Отримані температурний та барометричний коефіцієнти перемножують на покази лічильника газу за звітний період і отримують значення облікованого об’єму за стандартних умов.

Для роботи із великою кількістю споживачів газу розроблена програма корекції показів побутових лічильників газу TempPressCorr. Програма містить бази з індивідуальними даними споживачів газу, бази з інформацією про технічні характеристики лічильників газу, занесених до Державного реєстру України, про характеристики газового обладнання та бази даних про атмосферні тиски та середньомісячні температури повітря навколишнього середовища. При введенні показів лічильників газу програма, оперуючи базами даних, визначає об’єми газу приведені до стандартних умов та формує бази даних про обліковані об’єми газу. Для повірки механічних коректорів об’єму газу розроблена повірочна установка, що є технічною основою їх метрологічного забезпечення в експлуатації (рис. 9).

Рисунок 9. Схема установки для повірки механічних

коректорів об’єму газу.

Установка складається із робочого еталона дзвонового типу (ДВ), в якому є можливість регулювання величини надлишкового тиску під дзвоновим мірником в діапазоні робочих тисків в газопроводах (1,8-3 кПа), робочого еталона камерного типу (РЕ), діапазон вимірювання витрати якого відповідає діапазону роботи механічного коректора, датчиків тиску та температури (р,Т), термокамери (КТХ), запірного крана (КЗ) та крана регулювального (КР), теплообмінника (ТО). Розроблена повірочна установка призначена для визначення основної відносної похибки механічного коректора об’єму газу, визначення додаткової похибки коректора, що спричинена різницею робочих температур і температури газу за стандартних умов (що реалізується шляхом зміни температури в КТХ) та додаткової похибки, що спричинена різницею робочих тисків і тиску газу за стандартних умов (що реалізується шляхом зміни тиску під дзвоновим мірником).

В роботі сформовані вимоги до метрологічних характеристик механічних коректорів об’єму газу, які є базою для розроблення нормативної основи їх метрологічного забезпечення:

- границі основної відносної похибки не повинні перевищувати 0,5%;

- границі додаткової похибки коректора від впливу температури не повинні перевищувати від мінус 2,5% до 1,5% в діапазоні температур навколишнього і вимірюваного середовищ від мінус 25 °С до 50 °С, або 0,5% на кожні 10 °С зміни температури газу;

- границі додаткової похибки коректора від впливу тиску не повинні перевищувати від мінус 1,5% до 1,0% в діапазоні абсолютних тисків газу від 97,6 до 104,5 кПа, або 0,5% на кожні 3 кПа зміни тиску газу.

ВИСНОВКИ

У дисертації наведене теоретичне узагальнення і нове вирішення наукової задачі, що виявляється в розробленні нових методів та пристроїв зменшення впливу кліматичних факторів на облік газу в комунально-побутовій сфері, застосування яких дасть змогу покращити точність обліку газу та зменшити його втрати. При цьому отримано такі основні наукові та практичні результати:

1. Встановлена залежність температури газу, що обліковується в побуті, від температури повітря навколишнього середовища та температури повітря в приміщенні, де встановлений лічильник газу, що дало можливість без вимірювання розрахунковим методом визначити цей параметр.

2. Встановлена залежність тиску газу від висоти розташування точки вимірювання об’єму газу над рівнем моря, яка на відміну від існуючих моделей не містить залежності від температури повітря навколишнього середовища та описується лінійною функцією.

3. Розроблена математична модель впливу кліматичних факторів на обліковані об’єми газу в побуті, яка дає змогу, оперуючи довідковими даними без вимірювання інформативних параметрів газу, приводити облікований лічильниками об’єм газу до стандартних умов.

4. Розроблений графічний спосіб корекції показів побутових лічильників газу з врахуванням впливу температури повітря навколишнього середовища та атмосферного тиску, який, на відміну від розрахункових методів, за допомогою номограм дозволяє швидко визначити об’єм газу, приведений до стандартних умов.

5. Розроблена математична модель механічного коректора об’єму газу, яка дозволяє розрахунковим способом визначити геометричні параметри та технічні характеристики механічного коректора.

6. Розроблений новий метод механічної корекції об’єму газу та виготовлений дослідний зразок механічного коректора, що працює в автономному режимі.

7. Розроблена програма корекції показів побутових лічильників газу TempPressCorr, що дозволить оперативно, використовуючи бази даних про споживання газу газовим обладнанням, працювати із великою кількістю споживачів газу та вести архіви про виміряні лічильниками та приведені до стандартних умов об’єми газу.

8. Розроблена установка для повірки механічних коректорів об’єму газу, що дозволить проводити державні приймальні випробування механічних коректорів газу, їх метрологічну атестацію та повірку.

9. Встановлені вимоги до метрологічних характеристик механічних коректорів об’єму газу, які будуть основою для розроблення нормативних та методичних документів з метрологічної атестації та повірки коректорів.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Кузь М.В. Результати експериментальних досліджень впливу атмосферного тиску на достовірність обліку газу в побуті // Методи та прилади контролю якості. – 2004. – №12.– С. 63-65.

2. Петришин І.С., Кузь М.В. Вплив атмосферного тиску на достовірність обліку газу в побуті // Нафтова і газова промисловість.– 2004.– №4.–С. 54-55.

3. Петришин І.С., Кузь М.В. Визначення поправочного барометричного коефіцієнта до показів побутових лічильників газу графічним методом// Прилади та методи контролю якості. – 2005. – №13.–С. 59-61.

4. Петришин І.С., Кузь М.В., Гончарук М.І. Вплив температурного фактора навколишнього та робочого середовища на достовірність обліку газу в комунально-побутовій сфері // Розвідка та розробка нафтових та газових родовищ.– 2002.–№1.–С. 22-26.

5. Петришин І.С., Кузь М.В., Гончарук М.І. Експериментальні дослідження процесів теплообміну робочого та навколишнього середовищ при обліку газу в побуті // Розвідка та розробка нафтових та газових родовищ.– 2002.–№2.–С. 39-41.

6. Пат. 70683, МПК 7 G01 F1/00 G01 F5/00. Спосіб приведення об’єму газу до стандартних умов/ Петришин І.С., Кузь М.В., Гончарук М.І., Панасюк В.Л. Заявлено 23.12.2003; Опубл. 15.02.2006, Бюл. № 2.

7. Пат. 75801, МПК 7 G01 F1/00 G01 F5/00. Коректор об’єму газу/ Петришин І.С., Кузь М.В. Заявлено 16.08.2004.

8. Кузь М.В. Моделювання повного коефіцієнта теплопередавання газу, що транспортується для споживачів комунально-побутової сфери // Матеріали четвертої міжнародної науково-технічної конференції "Метрологія та вимірювальна техніка (Метрологія – 2004)": Наукові праці конференції у 2-х томах. – Т.2. – Харків, 2004. – С. 46-48.

9. Кузь М.В., Петришин Н.І. Мінімізація втрат природного газу, при обліку в комунально-побутовій сфері, за рахунок введення поправочних коефіцієнтів// Матеріали всеукраїнської науково-технічної конференції "Вимірювання витрати та кількості газу (Витратометрія-2005)".–Івано-Франківськ, 2005. – С. 51.

10. Петришин І.С., Кузь М.В. Номограми для визначення поправочного температурного коефіцієнта до показів побутових лічильників газу та методика їх побудови // Матеріали третьої міжнародної науково-технічної конференції "Метрологія та вимірювальна техніка (Метрологія – 2002)": Наукові праці конференції у 2-х томах. – Т.2. – Харків, 2002. – С. 118-120.

11. Петришин І.С., Кузь М.В. Вплив атмосферного тиску на достовірність обліку газу в побуті // Матеріали третьої всеукраїнської науково-технічної конференції "Вимірювання витрати та кількості газу і нафтопродуктів": Матеріали конференції. – Івано-Франківськ, 2003. – С. 125-128.

12. Петришин І.С., Кузь М.В. Математичне моделювання функції впливу атмосферного тиску на виміряний об’єм газу побутовими лічильниками // Матеріали Х науково-технічної конференції "Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах": Збірник матеріалів конференції. – Випуск №10(2003). – Хмельницький, 2003. – С. 33.

13. Петришин І.С., Кузь М.В. Моделювання впливу кліматичних факторів на достовірність обліку газу в побуті // Матеріали третьої науково-технічної конференції "ПРИЛАДОБУДУВАННЯ 2004: стан і перспективи": Збірка наукових праць. – Київ, 2004. – С. 243.

14. Петришин І.С., Кузь М.В. Механічні пристрої корекції об’єму газу. // Матеріали всеукраїнської науково-технічної конференції "Вимірювання витрати та кількості газу (Витратометрія-2005)".–Івано-Франківськ, 2005. – С. 23.

АНОТАЦІЯ

Кузь М.В. Методи та пристрої зменшення впливу кліматичних факторів на облік газу в комунально-побутовій сфері.–Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.11.01 – Прилади та методи вимірювання механічних величин. – Національний університет „Львівська політехніка”, Львів, 2006.

Дисертаційна робота присвячена вирішенню питань, пов’язаних з розробкою пристроїв і методів для підвищення точності обліку газу в комунально-побутовій сфері.

При проведенні теоретичних досліджень встановлено, що факторами, які суттєво вливають на точність обліку газу в побуті, є температура повітря навколишнього середовища та географічна висота розміщення точки вимірювання об’єму газу над рівнем моря. Встановлено залежність температури газу від температури повітря навколишнього середовища та тиску газу від висоти розміщення точки його обліку. Розроблено графічний метод корекції показів побутових лічильників газу з врахування впливу кліматичних факторів, який реалізований на основі ПКГ-номограм та програмного комплексу TempPressCorr. Розроблена технічна основа метрологічного забезпечення підвищення точності обліку газу в комунально-побутовій сфері: механічний коректор об’єму газу та установка для його повірки. Сформовані вимоги до метрологічних характеристик механічних коректорів об’єму газу, які будуть служити основою для розроблення нормативних та методичних документів з метрологічної атестації та повірки коректорів.

Ключові слова: вплив кліматичних факторів, облік газу, графічний метод корекції, механічний коректор, метрологічне забезпечення

THE SUMMARY

Kuz M.V. Methods and devices for reduction of the climatic factors influence on gas account in communal-general field. – Manuscript.

Dissertation is aimed at obtained the scientific degree of the Candidate of Technical Sciences at speciality 05.11.01 – Devices and methods for measuring of mechanical quantities. – National University “Lvivs’ka Politechnika”, Lviv, 2006.

Dissertation is devoted to problem concerned with methods and devices design for increase gas account accuracy in communal-general field.

When the theoretical research was carried out, it was determined, those most important factors, which have an influence on gas account accuracy, are the environment air temperature and geographic altitude of gas measuring point. Functional dependence of gas temperature on environment air temperature and dependence of gas pressure on altitude of gas measuring point were determined. Graphical method of gas meter’s indications correction with taking into account influence of climatic factors was developed. Method was realized on base of PKG-nomogram and software complex TempPressCorr. Technical base of measurement assurance of gas account accuracy increase in communal-general field was developed including mechanical gas volume corrector and test rig for it verification. Metrological characteristics requirements for mechanical gas volume correctors were organized. These requirements will be the base for normative documents for corrector’s metrological certification development.

Keywords: climatic factors influence, gas account, graphical correction method, mechanical corrector, measurement assurance

АННОТАЦИЯ

Кузь Н.В. Методы и устройства уменшенния влияния климатических факторов на учет газа в комунально-бытовой сфере.–Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.11.01 – Приборы и методы измерения механических величин – Национальный университет „Львивська политехника”, Львов, 2006.

Диссертационная работа посвящена решению вопросов, связанных с разработкой устройств и методов для повышения точности учета газа в коммунально-бытовой сфере.

При проведении теоретических исследований установлено, что факторами, которые существенно влияют на точность учета газа в быту, есть