VYUŽITÍ MULTIFUNKČNÍHO KALIBRÁTORU PRO ZKRÁCENOU ZKOUŠKU PŘEPOČÍTÁVAČE MNOŽSTVÍ PLYNU potrubí průtokoměr průtok teplota tlak Přepočítávač množství plynu 4. ročník mezinárodní konference 10. a 11. listopadu 1998, Hotel Pyramida, Praha Měřicí a regulační technika pro plynová zařízení PŘEDNÁŠEJÍCÍ: Mr. Timo Jauhiainen BEAMEX OY P.O. Box 5 68601 Pietarsaari, Finsko Tel: +358 6 784 0111 Fax: +358 6 7840404 e-mail: timo.jauhiainen@beamex.com 1
Úvod Přepočítávač množství plynu (dále jen přepočítávač) je měřicí systém sestávající z měřicích převodníků a matematického členu, který je použit pro matematický přepočet objemu plynu měřeného při provozních podmínkách (při teplotě t a tlaku p) na objem plynu při vztažných podmínkách (t n, p n ). Typickou aplikací je obchodní měření průtoku plynu mezi plynárenskou distribuční společností a jejími zákazníky. Vzhledem k tomu, že toto zařízení je používáno pro stanovení fakturované hodnoty mezi dodavatelem a odběratelem, technické požadavky, metoda ověřování a průběh zkoušek jsou normalizovány. V České republice platí pro přepočítávače následující normy: TPM 6890-95 - Přepočítávače množství plynu. Technické a metrologické požadavky. TPM 6891-95 - Přepočítávače množství plynu. Metody zkoušení při ověřování. TPM 6892-95 - Přepočítávače množství plynu. Zkrácené zkoušky. Dnešní přepočítávače jsou elektronické digitální přístroje s vysokou spolehlivostí a stabilitou. Tyto elektronické přístroje však stále využívají pro výpočet přepočítávacího čísla a korigovaného množství plynu analogové měření teploty a tlaku plynu. Pro samotnou zkoušku je potřeba mít přesné etalony, dobrou znalost metody zkoušení i obsluhy etalonů. Zkoušky jsou časově náročné a v průběhu zkoušek se můžete dopustit chyb, nicméně některé nové technologie zvyšují spolehlivost těchto zkoušek. Přepočítávač množství plynu, funkce a zkoušení Funkce přepočítávače je následující. Přepočítávač přijímá impulsy, které slouží jako informace o množství protečeného objemu plynu a zároveň měří provozní teplotu a tlak plynu. Pomocí naměřených hodnot teploty a tlaku a zjištěného stupně kompresibility přepočítávač vypočte přepočítávací číslo Z, kterým je přepočítáván objem plynu změřený za provozních podmínek na objem plynu za zvolených vztažných podmínek. Každý přepočítávač musí být ověřován jednou za 5 let. Tato lhůta je velmi dlouhá, a proto musí uživatel provádět zkrácenou zkoušku ke kontrole správnosti v místě jeho instalace každý rok nebo častěji. Postup zkrácené zkoušky se skládá z několika částí, jednou z nich je i zkouška správnosti přepočítávače, neboli jeho celkové přesnosti. Cílem zkoušky správnosti je zjištění hodnoty relativní chyby přepočítávacího čísla Z. Provádí se nejméně při jedné hodnotě tlaku, kterou je zpravidla provozní tlak plynu, a nejméně při jedné hodnotě teploty, která je blízká průměrné hodnotě provozní teploty. 2
Seznam přístrojů potřebných pro zkrácenou zkoušku přepočítávače 1. Barometr Kombinovaná standardní nejistota ± 0,1 %, nebo lepší 2. Etalon přetlaku nebo absolutního tlaku Kombinovaná standardní nejistota 1/5 největší dovolené chyby (třídy přesnosti) převodníku tlaku, nebo lepší. Měřicí rozsah volený podle rozsahu měřicího převodníku přepočítávače Poznámka: Související normy kladou technické požadavky na druh tlakového snímače použitého v přepočítávači: Je-li dolní mez měřicího rozsahu < 2 MPa, musí být v přepočítávači použit převodník absolutního tlaku. Největší dovolená relativní chyba přepočítávače nesmí být v tomto případě vyšší než ± 1 %. Je-li dolní mez měřicího rozsahu 2 MPa a barometrický tlak je zadáván do přepočítávače jako konstanta, je možno použít převodník přetlaku namísto převodníku absolutního tlaku. Největší dovolená relativní chyba přepočítávače nesmí být v tomto případě vyšší než ± 0,8 %. Největší dovolená chyba převodníku tlaku použitého v přepočítávači nesmí být větší než ± 0,25 % z měřicího rozsahu. 3. Zdroj tlaku Vnější zdroj tlaku, např. láhev s čistým plynem, jehož stupeň kompresibility je znám (Dusík, Methan nebo Argon), nebo Zdroj tlaku jako součást etalonu tlaku, nebo Provozní tlak plynu v místě provádění zkrácené zkoušky 4. Etalonový teploměr Měřicí rozsah zvolený podle rozsahu teplotního převodníku přepočítávače Kombinovaná standardní nejistota 1/5 největší dovolené chyby (třídy přesnosti) převodníku teploty, nebo lepší. Největší dovolená chyba převodníku teploty použitého v přepočítávači nesmí být větší než ±0,1 % (0,3 K). 5. Nádoba s konstantní teplotní lázní Teplotní stabilita této lázně musí být taková, aby změna teploty během zkoušky nebyla větší než 0,1 C. 6. Simulátor objemu Simulátor elektrických impulsů s indikací počtu generovaných impulsů, nebo Průtokoměr připojený k přepočítávači Barometr, etalony tlaku a teploty a též simulátor průtoku musí být podle typové zkoušky platně kalibrovány (ověřeny) a kalibrační lhůta nesmí být překročena. 3
Popis postupu zkrácené zkoušky Přepočet objemu plynu změřeného za provozních podmínek na objem plynu za vztažných podmínek se provádí pomocí následujícího vztahu: V n = Z V (1) V n objem plynu za vztažných podmínek, tj. při vztažných hodnotách tlaku, teploty a relativní vlhkosti, vyjádřený v m 3 Z přepočítávací číslo V objem plynu za provozních podmínek, tj. při provozním absolutním tlaku a teplotě, vyjádřený v m 3 Vypočtené přepočítávací číslo Z v, které se považuje za konvenčně pravou hodnotu přepočítávacího čísla, se vypočítá podle následujícího vztahu: Z v = p n p T n T K (2) p n hodnota vztažného absolutního tlaku vyjádřená v kpa T n hodnota vztažné termodynamické teploty vyjádřená v K p hodnota absolutního tlaku změřeného etalonem tlaku v průběhu zkoušky vyjádřená v kpa, je-li v průběhu zkoušky namísto měření absolutního tlaku použito měření přetlaku a barometrického tlaku, potom: p = p b + p p p b korigovaná hodnota barometrického tlaku vyjádřená v kpa p p hodnota přetlaku naměřená etalonem tlaku vyjádřená v kpa T hodnota termodynamické (absolutní) teploty změřené etalonem teploty v průběhu zkoušky vyjádřená v K T = 273.15 + t t teplota naměřená etalonem teploty v průběhu zkoušky vyjádřená ve C K stupeň kompresibility; vypočtená nebo tabulková hodnota podle příslušné normy K = z / z n z kompresibilitní faktor plynu při provozním tlaku (p) a provozní teplotě (T) z n kompresibilitní faktor plynu při vztažném tlaku (p n ) a vztažné teplotě (T n ) Stabilita hodnot měřených veličin v průběhu zkoušky musí být taková, aby přídavná složka nejistoty způsobená touto nestabilitou nebyla větší než 1/10 kombinované standardní nejistoty měřené hodnoty. 4
Nejistoty měření tlaku a teploty určíme z nejistoty typu A a ze složky nejistoty typu B vázané k nejistotě hodnot indikovaných etalony tlaku a teploty. Nejistoty se zjišťují pomocí standardního postupu pro stanovování nejistot, který je popsán v národních a mezinárodních normách. Změřené přepočítávací číslo se zjišťuje pomocí následujícího vztahu: Z V n = (3) V V n rozdíl stavů počitadla přepočteného objemu přepočítávače před a po ukončení zkoušky vyjádřený v m 3 V rozdíl stavů počitadla provozního objemu přepočítávače před a po ukončení zkoušky vyjádřený v m 3 Minimální zkušební provozní objem plynu musí být zvolen tak, aby byl dodržen následující vztah: d p V min (4) 0. 001 d P rozlišení počitadla, tj. nejmenší na displeji odečitatelná hodnota objemu plynu Rozdíl stavů počitadla plynoměru, resp. simulátoru průtoku, před a po ukončení zkoušky a rozdíl stavů počitadla provozního objemu přepočítávače musí být shodný. Vyhodnocení zkoušky Relativní chyba přepočítávače vyjádřená v procentech je dána vztahem: v f = Z Z r 100 Z v (5) Hodnota relativní chyby přepočítávače f r musí ležet v intervalu daném mezemi největší dovolené chyby ±1 %. Je-li hodnota přepočítávacího čísla zobrazena na displeji přepočítávače, tj. když je přepočítávač schopen zobrazit přepočítávací číslo, provede se výpočet další relativní chyby podle vztahu (5), kde hodnota Z je odečtena z displeje přepočítávače a hodnota Z v je vypočtená podle vztahu (2). Relativní chyba hodnoty Z zjištěné pomocí vztahu (3) a relativní chyba hodnoty Z odečtené přímo z displeje se nesmí navzájem lišit o více něž ±0.3 %. Žádná z těchto dvou relativních chyb nesmí překročit hranici dovolených chyb přepočítávače. 5
Stanovení kombinované standardní nejistoty zkrácené zkoušky přepočítávače Nejistota je složena ze dvou částí: - nejistota stanovení teploty u t - nejistota stanovení tlaku u p Kombinovaná standardní nejistota je potom vypočtena podle standardních postupů pro stanovení nejistot popsaných v národních a mezinárodních normách a doporučeních. Hodnota kombinované standardní nejistoty by neměla být větší než 1/4 největší dovolené chyby přepočítávače. u Z t u 2 Z + p = t p u 2 (6) 6
Technologie kalibrace Použití běžných jednoúčelových kalibrátorů při zkrácené zkoušce vyžaduje dobrou znalost samotného postupu a pro provádění zkoušky je zapotřebí několika přístrojů. Při použití těchto kalibrátorů se výpočty provádějí ručně, nebo se data ručně zadávají do výpočetního programu v počítači. Tím se zvyšuje možnost vzniku chyb, značně se prodlužuje doba potřebná pro zkoušení a výpočty, a tím i náklady na zkoušku. Kalibrátory provozních přístrojů mohou nabídnout značné usnadnění zkrácené zkoušky tím, že jsou schopny pomocí jednoho kalibrátoru měřit, nebo simulovat a měřit, dva signály současně. Kalibrátory provozních přístrojů však nejsou schopny měřit tlak a teplotu a zároveň simulovat impulsy. Také výpočty je nutno provádět ručně. Práce se příliš nezrychlí a možnost vzniku chyb je stále vysoká. Moderní nové multifunkční kalibrátory mohou být velmi výkonným nástrojem pro zkrácené zkoušky přepočítávačů. Některé multifunkční kalibrátory jsou schopny zároveň 1. Měřit provozní tlak plynu nebo měřit regulovaný tlak plynu 2. Měřit provozní teplotu plynu nebo měřit regulovanou teplotu 3. Počítat impulsy (objemový průtok plynu) z plynoměru 4. Simulovat objemový průtok plynu pomocí impulsů do přepočítávače SIMULACE IMPULSŮ (Simulace průtoku) MĚŘENÍ TLAKU (Tlak v potrubí) MĚŘENÍ IMPULSŮ (Měření průtoku) MĚŘENÍ TEPLOTY (Teplota plynu) Obrázek 1. Měřicí a simulační schopnosti multifunkčního kalibrátoru všestranně splňují potřeby zkrácených zkoušek přepočítávačů množství plynu. Tyto hodnoty mohou být uloženy do paměti kalibrátoru nebo vytisknuty pomocí přenosné tiskárny pro pozdější výpočet přepočítávacího čísla a nejistoty zkrácené zkoušky. Výpočty se mohou provést pomocí tabulkových výpočetních programů. Multifunkční kalibrátory s těmito schopnostmi jsou dnes již komerčně dostupné. 7
Obrázek 2. Zkrácená zkouška přepočítávače množství plynu pomocí multifunkčního kalibrátoru. Zkouška při provozním tlaku a teplotě. potrubí průtokoměr objem simulace impulsů přepočítávač množství plynu kalibrátor V budoucnosti mohou mít některé nejpokročilejší multifunkční kalibrátory vestavěnou speciální funkci pro zkrácenou zkoušku přepočítávačů množství plynu. Tato funkce velmi usnadní zkrácenou zkoušku a kalibrátor samotný by měl být schopen provést nejdůležitější výpočty a vytisknout kalibrační list. Všechny potřebné výpočty bude pravděpodobně provádět sám kalibrátor. Postup kalibrace by byl následující: 1. V kalibrátoru se spustí funkce pro kalibraci přepočítávače. 2. Informace o přepočítávači se naprogramují nebo vyvolají z paměti. 3. Zkrácená zkouška se opakuje v požadovaných hodnotách tlaku a teploty. Po nastavení teploty a tlaku se do kalibrátoru vloží odečty (V, Vn) přepočítávače. 4. Jsou-li teplota a tlak stabilizovány, kalibrátor nasimuluje sérii impulsů do přepočítávače a do kalibrátoru se zadají odečty přepočítávače V, Vn a případně přepočítávací číslo Z. 5. Kalibrátor vypočítá a zobrazí v každém nastaveném bodě následující informace: číslo Zv, které je vypočítáno z průměru opakovaných hodnot tlaku a teploty číslo Z, které je vypočítáno nebo odečteno z přepočítávače relativní chybu čísla Z, které je vypočítáno z údajů přepočítávače relativní chybu čísla Z zobrazeného přepočítávačem změnu tlaku a teploty v průběhu zkoušky nejistotu stanovení čísla Z 8
V každém bodě kalibrátor informuje, zda přepočítávač splňuje požadavky na něj kladené touto zkouškou. Pokud nesplňuje, kalibrátor podá informaci o důvodu a umožní obsluze opakovat měřicí bod. 6. Výsledky jsou uloženy. 7. V případě potřeby se vytiskne protokol o zkrácené zkoušce. Obrázek 3. Zkrácená zkouška přepočítávače množství plynu pomocí multifunkčního kalibrátoru. Zkouška s vnějším zdrojem tlaku a konstantní teplotní lázní. regulovaný zdroj tlaku přepočítávač množství plynu TLAK objem simulace impulsů teplotní lázeň kalibrátor Závěr Rozvoj kalibračních technologií využitých v moderních multifunkčních kalibrátorech usnadní, zpřesní a zefektivní zkrácené zkoušky přepočítávačů množství plynu. Budoucí požadavky a vývoj ukáží využitelnost multifunkčních kalibrátorů pro zkrácené zkoušky přepočítávačů. 9