Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ параметров водного потока и водоводов, методов и средств измерений питьевой, технической, сточной воды .
1.1. Параметры водного потока и водоводов как объектов измерений 10
1.2. Критический анализ принципов построения средств измерений водного потока 12
1.3. Анализ задач и параметров систем измерения, учета, баланса воды... 12
1.4. Метрологическое обеспечение процесса измерения расхода и объема питьевой, технической, сточной воды 15
1.5. Выводы 26
2. Теоретические исследования методов измерений, средств измерений и способов построения эффективной системы учета объемов воды .
2.1. Постановка задачи 29
2.2. Выявление и анализ источников искажения измерительной информации 39
2.3. Исследования и оценка искажений измерительной информации в условиях эксплуатации 60
2.4. Выводы 82
3. Экспериментальные исследования параметров водных потоков и средств измерений при организации системы измерения расхода и учета объемов воды .
3.1. Экспериментальные исследования параметров водных потоков 85
3.2. Экспериментальные исследования составляющих погрешности рабочих и эталонных средств измерений 99
3.3. Выводы 116
3.4. Особенности разработанных способов измерения, учета объемов воды и результаты их экспериментальных исследований .
4.1. Особенности способа измерения расхода и объема многофазной жидкости в условиях пульсирующего потока и результаты экспериментальных испытаний 118
4.2. Особенности способа измерения расхода воды в скрытых протяженных трубопроводах большого диаметра с малой скоростью потока, таких, как в находящихся в эксплуатации дюкерных переходах 121
4.3. Особенности способа определения неучтенного объема воды 126
4.4. Выводы 135
Заключение 136
Список использованных источников 139
Приложение 1: Перечень условных обозначений, принятых в диссертации 151
- Метрологическое обеспечение процесса измерения расхода и объема питьевой, технической, сточной воды
- Исследования и оценка искажений измерительной информации в условиях эксплуатации
- Экспериментальные исследования составляющих погрешности рабочих и эталонных средств измерений
- Особенности способа измерения расхода воды в скрытых протяженных трубопроводах большого диаметра с малой скоростью потока, таких, как в находящихся в эксплуатации дюкерных переходах
Введение к работе
Актуальность измерения объемов воды резко возрастает в 90-е годы прошлого столетия в связи со строжайшей экономией природных богатств страны и резким увеличением цены на воду. Эти годы характерны началом массовой установки средств измерений, в основном импортных, резким изменением режимов водопоставки в связи с сокращением производства, отсутствием метрологического обеспечения даже того незначительного количества приборов (сужающие устройства (СУ) и электромагнитный расходомер (ЭМР) «Индукция», проливные стенды завода «Ленводоприбор» ограниченного применения), полученные результаты не давали положительных результатов вследствие незнания реальных параметров измеряемой среды и, практически, непроводимого согласования условий измерения и допустимых условий применения средств измерения; результаты измерения не подтверждались существующим метрологическим обеспечением.
Условия эксплуатации оказывают влияние на измеряемую величину и параметры используемых средств. Среди условий, влияющих на результат измерений, необходимо отметить аэрацию жидкости, пульсацию измеряемого расхода в реальных условиях, зарастание стенок трубопровода и др. Известно немало примеров, каким образом эти условия влияют на результат измерения расхода и количества воды [1, 11,22, 34, 37, 39, 43, 57, 59, 69, 74, 78, 94, 98].
Для производства воды измерительная информация об объемах и расходах воды должна быть достоверной, а обеспечение достоверности должно достигаться в широком диапазоне диаметров водоводов и скоростей потока воды.
Постановка настоящей работы определяется необходимостью создания основы системы измерений, учета и сведения балансов воды с целесообразной погрешностью при производстве воды, водоотведении и очистке воды, которое, в отличие от существующей системы измерений расходов и объемов воды обеспечит получение результата измерения измеряемой среды — воды, как двух-, трехфазной среды: водовоздушной с включениями твердых фаз при нестационарном характере движения потока на базе новых разработанных узлов измерения и учета на основе сертифицированных, отечественных и импортных приборов и устройств. Решение этой задачи требует создания соответствующих специализированных средств измерений, разработка которых должна базироваться на обоснованных взаимосогласованных технологических требованиях, что невозможно без всестороннего тщательного анализа погрешностей измерения, обусловленных следующими причинами:
- фоном,
- действующими помехами,
- свойствами применяемых средств измерений.
Исходя из этого, для выработки взаимосогласованных требований к методу и средствам измерений необходимо:
- проведение анализа физической природы формирования сигнала, соответствующему расходу и объему воды,
- исследование составляющих методической погрешности измерения,
- исследование составляющих инструментальной погрешности измерения.
Основной целью работы является разработка требований и принципов
построения средств измерений; исследование метода измерений, создание и исследование средств измерений (узлов) расхода и объема воды, и методик выполнения измерений в условиях эксплуатации.
В свою очередь, отдельные задачи могут быть сформулированы следующим образом:
-анализ различных методов измерения расхода и объема воды с целью получения наименее сложных технических и эксплуатационных решений методов и средств измерений, обеспечивающих погрешность измерений в условиях эксплуатации до 1-1,5%,
-анализ источников погрешности, оказывающих влияние на результат измерения, с целью поиска мер и средств по достижению указанной погрешности,
-разработка методики расчета фактического водопотребления и водоотведения, работающей в реальных условиях эксплуатации,
-анализ условий измерений с целью определения степени влияния этих условий на результат измерения расхода и количества воды.,
-экспериментальные исследования средств измерений в реальных условиях эксплуатации.
Достижение этой цели заложит основу системы измерений, учета и сведения балансов воды с целесообразной погрешностью при производстве, водоотведении и очистке воды.
В соответствии с целью работы выбрана структура диссертации:
-в первой главе приводится критический анализ средств измерений параметров водных потоков по опубликованным материалам и выбор метода измерений,
-во второй главе выполнены теоретические исследования методов и источников искажения измерительной информации, дана оценка влияющим факторам и способам корректировки результата измерения,
- в третьей главе приведены результаты исследований составляющих погрешности средств измерений и способов, повышающих стабильность эксплуатации узлов измерения и учета,
- в четвертой представлены особенности разработанных способов измерения и учета и результаты их экспериментальных исследований.
Научная новизна заключается в выявлении основных источников погрешностей результата измерений расхода и объема воды в условиях эксплуатации; получении аналитических выражений и числовых значений погрешностей результата измерений, обусловленных спецификой технологического процесса; в разработке новых способов измерения расхода и объема воды в условиях эксплуатации на основе совершенствования и модернизации известных из литературных источников способов измерений в разработке принципа снижения погрешностей результата измерения и ее коррекции; в обосновании взаимосогласованных характеристик средств измерений для работы в условиях эксплуатации.
Практическая значимость работы заключается в разработке методов, позволяющих уменьшить случайные и систематические погрешности существующих и вновь разработанных средств измерений, в разработке и исследовании методик измерения, позволяющих повысить достоверность измерений в условиях эксплуатации. Разработанные средства измерения обладают значительно лучшей коррекцией результата измерения. Проведенные исследования по разработке методик измерения позволили приступить к разработке документации и проведению модернизации системы измерения и учета расходов и объемов воды.
Автором проведено теоретическое исследование методических помех и экспериментальное исследование инструментальных погрешностей. Разработан способ измерения расхода воды в скрытых протяженных трубопроводах большого диаметра с малой скоростью потока, таких, как в находящихся в эксплуатации дюкерных переходах. Разработан способ измерения расхода и объема многофазной жидкости в условиях пульсирующего потока. Разработан способ определения неучтенного объема. Разработана методика определения фактического водопотребления и водоотведения. Разработана методика определения влияния величины отложений на внутренней поверхности трубопровода на результат измерения ультразвуковых расходомеров-счетчиков. Полученные результаты внедрены при разработке системы измерений и учета объема воды в системах водоснабжения и водоотведения ГУП «Водоканал СПб» и у его абонентов в соответствии с актами внедрения.
Основные положения диссертации обсуждались на:
- 19-21 и 24, 26, 27 международных научно-практических конференциях «Коммерческий учет энергоносителей», 2004, 2005, 2006, 2007, 2008;
- симпозиумах «Мир измерений и учета», 2004, 2005 ,
- 1 международном конгрессе «ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТЬ. XXI ВЕК. Инженерные методы снижения энергопотребления зданий», 2009.
На защиту выносятся следующие основные положения:
1. Результаты анализа погрешностей измерения расхода и объема воды и его особенности применительно к условиям эксплуатации ГУП «Водоканал Санкт-Петербурга», которые позволили выбрать методы измерения и способ построения системы учета с наименьшими погрешностями измерения.
2. Способы измерения расхода и объема
- воды в скрытых протяженных трубопроводах большого диаметра с малой скоростью потока, таких, как в находящихся в эксплуатации дюкерных переходах,
- многофазной жидкости в условиях пульсирующего потока.
3. Метод коррекции результатов измерения расхода и объема воды в условиях эксплуатации.
4. Способ определения неучтенного объема воды.
5. Новые схемные и конструктивные решения, позволившие создать систему учета питьевой и сточной воды с оптимальными параметрами, с наименьшими погрешностями в условиях эксплуатации, с существенным экономическим эффектом.
6. Результаты экспериментальных исследований, разработанных узлов измерения и учета объемов воды, адаптированных к конкретным условиям эксплуатации. Публикация. Материалы диссертационной работы опубликованы в 14 печатных трудах, из них 3 патента и 2 работы в рецензируемом ВАК ведущем научном журнале: «Водоснабжение и санитарная техника».
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников и приложений.
Диссертация содержит 149 стр. 43 рис., 1 фиг., 13 таблиц в основном тексте и 51 стр. в Приложении.
Список литературы включает 103 наименования.
Метрологическое обеспечение процесса измерения расхода и объема питьевой, технической, сточной воды
Метрологическое обеспечение процесса измерения расхода и объема воды (МО) для ГУП «Водоканал СПб»- это комплекс организационно-технических мероприятий, обеспечивающий определение с требуемой точностью параметров водного потока и позволяющий добиться снижения потерь и непроизводительных затрат на производство воды и очистку сточных вод.
Нормативной базой МО в ГУП «Водоканал СПб» являются государственные стандарты, стандарты предприятия (СТО), положения, регламенты, разработанные в ГУП «Водоканал СПб» на основе законов Российской Федерации, постановлений правительства РФ, актов и документов законодательной метрологии.
Установление оптимальной номенклатуры измеряемых параметров водного потока и норм точности измерений, разработка и актуализация нормативно-правовой базы системы измерений расхода и объема воды [77].
Вода - сложный информационный объект. На рис. 1.3 представлены результаты анализа физических свойств воды по материалам [76] и диапазона их изменений в условиях эксплуатации.
В создании узлов учета питьевой и сточной воды (УУ) существует принципиальная разница. Отличие заключается не только в том, что УУ питьевой воды организуются, в основном, на напорных водоводах, а сточная вода течет самотеком. Есть и другие факторы, которые необходимо учитывать, например, воздух. На первоначально названных узлах воздух -это фаза, которая сильно искажает результат измерения и ее надо постараться вывести из потока до того, как установленное по всем правилам средство измерения (СИ) на УУ, сосчитает ее как воду.
На узлах сточной воды картина другая: воздух здесь является легкой фазой, которая улетучивается сама по себе, не искажая результата измерения. Но пренебрегать влиянием на результат другой фазы - «тяжелой», в виде разного рода примесей, органического и неорганического происхождения, нельзя. В основном, для измерения параметров водного потока на УУ сточной воды применяется допплеровский метод, для которого, чем больше разных «частиц» в потоке, тем устойчивее работа. Но эти частицы перемещаются с разной скоростью и неизвестно, какую из них прибор выхватил из потока для определения его скорости. Получается вывод о естественной разнице при получении результата измерения на очищенном и неочищенном стоке.
Необходимо обратить внимание на такой параметр как «соленость» и как изменяется скорость ультразвука в зависимости от концентрации солей при увеличении температуры потока [73].
Нормативный документ «Нормы точности результатов измерений количества воды, забираемой из водных объектов, сбрасываемой в водные объекты и подаваемой в город водопроводными станциями» разработан в ГУП «Водоканал Санкт-Петербурга» для обеспечения адекватного информационного обмена и учета объемов воды 1 и 2 подъемов водопроводных станций, повысительных насосных станций, в точках передачи воды между филиалами, а также для учета сброшенных сточных вод. «Нормы точности» следует применять при организации системы учета в подразделениях ГУЛ «Водоканал Санкт-Петербурга»; проектировании узлов учета; переводе результатов измерения в результаты учета; организации системы учета; составлении отчетных документов по объемам воды между подразделениями ГУП «Водоканал Санкт-Петербурга»; составлении локальных и общих балансов подразделений.
Нормативный документ «Нормы точности» инициирован тем, что в отчетных документах часто отсутствует различие между следующими понятиями погрешность прибора (инструментальная погрешность, указанная в паспорте прибора для стендовых условий проверки); погрешность узла (результата измерения) или погрешность прибора в условиях эксплуатации. Погрешность результата измерений расхода и объема воды должна рассчитываться по формуле: 8 = д2осн + (8 сн) + 8 доп + \8 дог)" + 8 ФАЗН+82НЕСТАЦ+ (8"CII)2 + 82//ЕСФОРМ+ 82ик , где 5 - погрешность результата измерений, $асн и 5 ос„ - основные погрешности средства измерений, 5доп и s don - дополнительные погрешности средства измерений, нормируемые в технической документации, S"CH - погрешность определения площади поперечного сечения потока, $Флзн 5нЕстлц $нЕСФот составляющие погрешности узла учета, ненормируемые в технической документации на прибор и зависящие от условий эксплуатации, , 8т - погрешность линии измерительного канала. К нормативным документам, также необходимо отнести разработанную автором в 2004 году «Методику расчета фактического водопотребления и водоотведения предприятиями ГУП «Водоканал Санкт-Петербурга» и его абонентами», применяемую для обработки результатов измерений объемов воды расходомерами как в подразделениях ГУП «Водоканал Санкт-Петербурга», так и у абонентов [60]. Анализ условий измерения. Перед началом создания узла учета необходимо проведение предпроектных обследований в точке планируемого узла учета с целью исключения тех условий эксплуатации расходомера-счетчика, при которых возникают погрешность от наличия в потоке воздушных включений, погрешность, вызванная нестационарностью потока, погрешность, возникающая из-за несформированности потока, обусловленной отложениями и шероховатостью трубы, а также асимметрией поперечного сечения водовода [94]. В процессе проведения предпроектных обследований определяются: наличие воздуха в трубопроводе; наличие обратного потока; диапазон скоростей потока; асимметрия потока в трубопроводе; диапазон расхода воды. Метрологический надзор за состоянием и эксплуатацией расходомеров-счетчиков в системах водоснабжения и водоотведения Санкт-Петербурга. Достоверные измерения - это измерения поверенными средствами измерений при соответствии условий их эксплуатации -нормативной документации на прибор. В рамках ведомственного регулирования обеспечения единства измерений метрологические подразделения ГУП «Водоканал Санкт-Петербурга» осуществляют метрологический надзор: - за состоянием и применением средств измерений расхода, скорости потока, объема и систем на их основе, эксплуатируемых производственными структурами Предприятия путем организации метрологического обслуживания (технического обслуживание, ремонта, калибровки и организация поверки) средств измерений, находящихся в эксплуатации. - за соблюдением метрологических норм и правил государственной системы обеспечения единства измерений в ГУП «Водоканал Санкт-Петербурга»: путем разработки ведомственных методик выполнения измерений и методик калибровки средств измерений с использованием эталонов единиц величин. Методики разрабатываются для средств измерений, применяемых в составе технологических узлов учета воды, не подпадающих под Закон 102-РФ от 26.06.2008 г. Для обеспечения достоверных измерений расхода и объема воды проводятся метрологическая экспертиза Технических заданий и проектов разработки измерительных узлов; обработка результатов измерений расхода и объема питьевой, технической и сточной воды в ГУП «Водоканал Санкт-Петербурга» [60].
Исследования и оценка искажений измерительной информации в условиях эксплуатации
Проделанный анализ методов и средств измерений параметров водных потоков и системы учета объемов воды по литературным источникам показал:
Для получения достоверного результата измерений при установке расходомера или расходомера-счетчика необходимо обеспечить согласование требований к установке средств измерений с условиями эксплуатации (например, в рамках проектирования узла учета). При создании узла выбираются способ и средства измерений или совокупность средств измерений. Наиболее распространенной ошибкой при проектировании узла являются неучет многофазности водного потока, неучет нестационарности водного потока, что ведет к увеличению погрешности измерений и может сделать такое «измерение» вообще нецелесообразным.
Основой организации учета являются достоверные измерения и, в соответствии с этим, главным направлением работы являются выявление и исследование факторов, влияющих на результат измерения; определение характера влияющего воздействия и нахождение способа исключения или уменьшения степени влияния на результат измерения.
В напорных водоводах всегда содержится некоторое количество нерастворенного воздуха, который попадает туда из источника вместе с водой или засасывается через неплотности на всасывающих участках циркуляционных насосов. В воде содержится около 2,5% нерастворенного воздуха при атмосферном давлении и температуре 10-15С и 5% и более. Объем нерастворенного воздуха в воде водоводов целиком зависит от конкретных местных условий. Кроме того, объем нерастворенного воздуха по длине водовода постоянно меняется, так как в зависимости от давления в трубах и температуры воды он сжимается или расширяется, растворяется в воде или наоборот выделяется из воды. Обычные расходомеры и счетчики дают большую погрешность при работе на газожидкостных смесях. Так, турбинный счетчик, проградуированный на однофазной жидкости, на смеси с содержанием воздуха в 2% завышает реальный расход на 30% [34], а когда в контролируемой среде содержится до 5% воздуха, может давать погрешность 50% и более [37]. Магистральным направлением измерения расхода многофазныъх сред является предварительная подготовка самого потока, состоящая в разделении фаз, либо в гомогенизации потока, т. е. выравнивании скоростей движения фаз. 4. Динамические погрешности, возникающие при измерении нестационарного потока, определяются как частотными характеристиками расходомера, так и частотным спектром измеряемой закономерности расхода. Таким образом, динамическая точность не может быть определена вне связи с конкретным измеренным нестационарным потоком. 5. В основе счетчика лежит принцип суммирования многих точек отдельных отсчетов, поэтому случайные погрешности на суточные и месячные показания не влияют. 6. В правилах поверки принято поверять счетчик в тех же диапазонах расходов, в которых он поверялся при выпуске из производства. Для целей узла учета целесообразно знать погрешность в том диапазоне его шкалы, в котором он фактически работает. 7. Для ведомственной метрологической службы главная задача -устранить расхождения в показаниях счетчиков у поставщиков и потребителей воды, но для ее решения нужна разработка нормативной документации, рационально определяющей задачи и правила поверки всех блоков счетчиков и методику их расчетной аттестации. 8. Незнание реальных параметров водного потока (наличие нескольких фаз, нестационарность и т. д.) является причиной «небаланса» между результатами измерения количества поставленной и полученной воды. 9. После выполнения измерений результаты необходимо подвергать математической и логической обработке. Баланс может быть обеспечен путем принудительной корректировки результатов измерений при соблюдении определенных правил. Измерительные и процедурные функции целесообразно разделить и оформить. 10. Точность приборов с накладными датчиками ниже, чем у приборов с врезными датчиками: эти приборы можно использовать для контроля технологических процессов, когда погрешность 3-7% допустима. 11. Ультразвуковые расходомеры-счетчики с накладными датчиками могут служить, с учетом использования принципа групповой меры, основой меры сравнения, выбираемой для калибровки, как не нарушающие технологического режима работы водоводов. 12. В канализационных коллекторах с переменным режимом течения, где зависимость расхода от уровня является непостоянной, рекомендациями МИ 2220-96 [17] пользоваться не следует, кроме того вопрос о влиянии состава сильно загрязненной сточной жидкости на результаты измерений скорости потока различными средствами измерений недостаточно изучен. На неочищенных стоках применение допплеровских измерителей скорости приводит к недоучету объема стока на 13-18 % относительно объема очищенного стока. Выявление и анализ источников искажения измерительной информации о параметрах водного потока нужно начать с рассмотрения свойств объекта измерения - воды, текущей по водоводу. Объем воды, протекающей через поперечное сечение трубопровода в единицу времени, т. е. расход, равен произведению площади живого сечения на среднюю скорость текущей по нему воды: q=Sv, где q - расход, S -площадь живого сечения, v — средняя скорость воды.
Экспериментальные исследования составляющих погрешности рабочих и эталонных средств измерений
При постановке задачи измерения параметров водного потока можно выделить три этапа: выбор физической модели течения (параметры и характеристика потока), измерение параметров потока для выбранной модели, расчет расхода измеряемой среды на основе проведенных измерений и математического описания выбранной модели. В этот расчет включают свойства жидкости при параметрах ее течения: плотность, фактор сжимаемости, вязкость и т. д. Чем выше требуемая точность измерения расхода, тем более жесткие требования предъявляются к точности определения соответствующих свойств.
Измерительную информационную систему, определяющую расход воды, следует рассматривать как систему передачи информации, которую можно считать "оптимальной", если она передаёт максимум информации.
С точки зрения измерительной техники выделим: метод (совокупность приёмов использования принципов и средств измерения), что заключено в выборе уравнения измерения и средства измерения (технические средства, используемые при измерениях и имеющие нормированные метрологические свойства) - расходомер.
Расходомер обладает совокупностью свойств. Его главное свойство -способность к преобразованию определяемой физической величины (расхода воды) в другую величину, удобную для регистрации, хранения и передачи на расстояние. Позитивными свойствами являются также стойкость к воздействию различных внешних влияющих величин (температуры, давления, ударов, вибрации и т.д.), сохранение работоспособности при их воздействии и свойства преобразования в течение длительного времени и т.д. К негативным свойствам отнесем нестабильность закона преобразования во времени, способность преобразовывать посторонние внешние воздействия и побочные параметры в ту же физическую величину.
Моделью будем называть совокупность характеристик, которые являются отображениями его свойств в виде реакций на различные воздействия (рис 2.1.). Основные из этих характеристик следующие [15]. В зависимости от принципа действия средства измерения, его конструктивных особенностей, условий применения, длительности эксплуатации на входной сигнал ес системы воздействуют сигналы различных помех еп, е„, из-за чего входной сигнал преобразуется в е"с, ес. Выходной сигнал Z ( t) представляет собой сложную характеристику, состоящую из информативного У ( t) и неинформативного параметров Е (t), несущих различную нагрузку. Информативный параметр выходного сигнала функционально связан с расходом. Эта физическая величина есть единственный компонент сигнала, представляющий собой меру расхода. К информативному параметру предъявляются требования однозначности и детерминированности в диапазоне измерений. Он включает два нормируемых компонента -наименование физической величины и диапазон её изменений. Неинформативный параметр выходного сигнала - совокупность физических величин, функционально не связанных с расходом, но отображающих условия работы регистратора измерительной информации. Диапазон измерений расхода - ограниченная сверху и снизу область значений расхода, в пределах которой с допускаемой погрешностью сохраняется принятая форма аппроксимации связи между входной и выходной величинами. Статическая характеристика преобразования - это зависимость между расходом (входным сигналом) и информативным параметром выходного сигнала. Погрешность расходомера характеризует расхождение между неизвестным действительным значением расхода и его оценкой, полученной с помощью статической характеристики преобразования расходомера в процессе измерения расхода. Динамические факторы зависят не только от размера измеряемой величины, но и от характера изменения ее во времени. Строго говоря, статические погрешности можно рассматривать как частный случай динамических [64]. Возникновение динамической погрешности обусловлено инерционностью элементов измерительной цепи средства измерений, т. е. тем, что преобразования в измерительной цепи не происходят мгновенно, а требуют некоторого времени. Две очень важные характеристики (функция влияния и остаточные влияния внешних воздействий) отображают реакции расходомера на изменение условий эксплуатации. Функция влияния внешних воздействий -это совокупность зависимостей между изменениями какой-либо влияющей величины и отклонениями статической характеристики преобразования от основного её значения, полученного при одном фиксированном значении влияющей величины. Функции влияния используются как инструмент введения поправок в результаты измерения при эксплуатации расходомера. Для выявления и анализа источников искажения измерительной информации рассмотрим структурную схему канала измерения (рис. 2.2) . Действительное измеренное значение зависит не только от измеренной величины, но и от помех. Представим процесс получения информации об измеряемой величине в виде последовательного преобразования сигналов и помех. На рис. 2.2. - Структурная схема канала измерения и рис. 2.3.- Модель процесса измерения и учета объема воды, где: Аь А2, А3, А4- совокупность ЭДС сигнала и ЭДС помех соответственно в точках 1, 2, 3,4; Li, L2, L3 - операции по преобразованию сигнала и помех; ес еп1, е„2, еп3, еп4 - ЭДС сигнала и помехи, действующие в точках 1, 2, 3, 4; Nb N2, N3 - операции улучшающие (корректирующие) отношение сигнал/помеха; Вь В2, В3 - совокупность ЭДС сигнала и ЭДС помех, обеспечивающие работу корректирующих подсистем. Напишем выражение для выходного параметра в точке 4 без систем коррекции (Ni=N2=N3=0, еп2=епз=еП4=0 ) : А4 = АгЬ Ьг-Ьз + 5j- L2-L3 + S2- L3 + 53 бгЬг Ьз - вклад погрешности преобразования Lj в погрешность где Аі Ьі-Ь2-Ьз - расчётное значение параметра измерения, 8г Ьз - вклад погрешности преобразования L2 в результат измерения, где 8з - погрешность преобразования L3. Для случая работы с системами коррекции: A4=Ai-Li-L2 -L3 + 81 L2L3 + 82 L3 + 83 + Ті L2 L3 + y2 L3 + Уз, где yi = еП2 — Bi N1 — вклад погрешности преобразования корректирующей системы Nj в погрешность измерения, Y2 = епз — Вг N2 - вклад погрешности преобразования корректирующей системы N2 в погрешность измерения, Уз = еП4 - Вз N3 - вклад погрешности преобразования корректирующей системы N3 в погрешность измерения. Результат измерения зависит как от неточности самих преобразователей, так и от чувствительности к помехам, а также от величины этих помех. Отсюда получаются три основных условия минимизации погрешности, которые согласуются с [65, 66]: измерительная система должна иметь характеристику, максимально приближающуюся к идеальной системе, возникающие помехи должны оказывать минимальное влияние на результат измерения. Система должна быть как можно более чувствительной к измеряемой величине и как можно менее чувствительной к величине помех; сами действующие помехи должны подавляться до минимального уровня путём применения соответствующих мер. Для реализации этих требований необходимо построить измерительную систему так, чтобы достигались согласованные характеристики; уменьшить погрешность при помощи различных способов коррекции. Рассмотрим процесс образования погрешности результата измерения, которая включает в себя следующие основные составляющие: погрешность фона; погрешность метода; инструментальная погрешность; погрешность регистрации.
Особенности способа измерения расхода воды в скрытых протяженных трубопроводах большого диаметра с малой скоростью потока, таких, как в находящихся в эксплуатации дюкерных переходах
Из всего многообразия нестационарных потоков можно выделить две группы: пульсирующие потоки и течения с апериодическим (ускоренным или замедленным во времени) изменением расхода. Такое деление обусловлено прежде всего тем, что для течений с апериодическим изменением расхода задачи измерения связаны с определением мгновенных значений расхода или его величин, усредненных за период, существенно меньший характерного времени нестационарного (переходного) процесса. Пульсирующие потоки можно разделить на течения с периодической и произвольной пульсацией [41]. В тех, и в других течениях после усреднения за достаточно большой период времени расход пульсирующих потоков остается статистически стационарным. Для пульсирующих потоков целью измерения может быть определение средних значений расхода q: 1 т где Т - время усреднения расхода. Кроме того, локальные величины расхода могут измеряться во времени q(t), причем при измерении мгновенных значений расхода одновременно путем интегрирования решается и вопрос об определении q. При измерении q=q(t) основным регистрирующим параметром является перепад давления на сужающем устройстве (СУ) Ар = /(/). При определении величины q в качестве основного регистрируемого параметра могут выступать как величина Ар = f(t), так и усредненное значение Ар. Формула измерения q по результатам регистрации Ар имеет вид q = k jAp . где к = asF21\[р . Этот метод содержит следующие основные погрешности измерения расхода: 1. погрешность, обусловленную тем, что средняя величина корня квадратного (пропорционального q) всегда меньше квадратного корня из средней величины Эта составляющая погрешности, по существу, является методической, т. е. расчетной и в принципе может быть сведена к минимуму или к определенной, наперед заданной величине. 2. погрешность коэффициента расхода, поскольку среднее за период значение коэффициента расхода обычно не соответствует квазистационарной величине. Методы измерения q, основанные на регистрации Ар = f(t) с последующим расчетом по квазистационарному соотношению q = к- Ар , содержат дополнительную погрешность, обусловленную инерционными эффектами в проточной части СУ. Естественно, что для этого метода погрешность, связанная с влиянием нестационарности на коффициент расхода, также сохраняется. Основными источниками и дополнительных погрешностей группы измерений мгновенных расходов являются методические погрешности, обусловленные корректностью расчетной схемы для уравнения расхода и неопределенностью, связанной с коэффициентом расхода для нестационарного потока.
Погрешность измерения расхода, вызванная квадратической зависимостью между расходом и перепадом давления, появляется при вычислении среднего значения пульсирующего расхода по формуле q = k} )Ap . Эту систематическую погрешность часто называют погрешностью «квадратного корня» - Ек и обычно выражают следующей формулой [72]: Величина Ек зависит только от амплитуды и формы пульсаций расхода. Поскольку амплитуду расхода практически определить трудно, значение Ек увязывают с амплитудными характеристиками пульсаций перепада давлений. Таким образом, для нахождения погрешности квадратного корня, а затем и действительного значения расхода воды, необходимо знать истинное значение амплитуды пульсаций перепада давлений на сужающем устройстве. Канал измерения Ар из-за наличия инерционных свойств искажает действительное значение амплитуды, и запись перепада давления на диаграмме дифманометра не отвечает истинному процессу колебаний. Это приводит к тому, что по записи невозможно определить правильное значение амплитуды Ар, а также Ек и Цд. Следовательно, встает задача восстановления действительного значения амплитуды пульсаций перепада давления по результатам измерений. Необходимым условием для этого является наличие амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) канала измерения Ар. Она представляет зависимость перепада давления на выходе Авых и входе AD4 в канал измерения Ар, от частоты колебаний f.
Покажем, к чему может привести пренебрежение инерционными свойствами канала измерений Ар. Для этого проанализируем степень влияния А на Ек.
Черта над параметром означает процесс усреднения. Если а=1, т. е. канал измерений передает колебания Ар без искажений, то измерив величину Арск /Ар по записи на диаграмме можно определить Ек и соответственно Яд= q„ /1+ Ек.
Если 0 а 1, то канал измерения обладает демпфирующими свойствами и гасит колебания Ар. Это приведет к тому, что измеренное значение амплитуды будет меньше действительного и величина Ек будет занижена по сравнению с ее значением при а=1, а восстановленное значение расхода будет больше с[д. Максимальное расхождение будет при а=0, что соответствует полному гашению колебаний при обработке диаграммы без учета пульсаций по средней линии. Противоположная картина наблюдается при а 1, т. е. когда канал измерения обладает резонансными свойствами и увеличивает амплитуду пульсаций Ар.
Результаты анализа влияний «а» на Ек подтверждают вывод о том, что отсутствие данных об АЧХ канала измерения Ар может привести к существенным погрешностям при определении расхода и количества воды.
Инерционные эффекты в проточной части сужающего устройства. Инерционные эффекты в сужающих устройствах обусловлены изменением во времени момента количества движения массы жидкости, заключенной между контрольными сечениями проточной части данных устройств. На разгон или торможение тратится определенная энергия. Это приводит к тому, что перепад давления, возникающий на сужающем устройстве, уже является не только мерой степени преобразования потенциальной энергии в кинетическую и величины потерь энергии в таких устройствах, но и мерой потерь энергии, расходующейся на разгон или торможение этой массы жидкости.
