Wytyczne wzorcowania gazomierzy przy ciśnieniu pr > 4 bar

Wytyczne wzorcowania gazomierzy przy ciśnieniu pr > 4 bar
Mateusz Turkowski
Politechnika Warszawska, Instytut Metrologii i Inżynierii Biomedycznej
Eliza Dyakowska
Operator Gazociągów Przesyłowych GAZ-SYSTEM S.A.
Streszczenie. Omówiono zasadnicze wytyczne i zalecenia standardu ST-IGG-0101:2014 związane z planowaniem wzorcowania gazomierzy w
warunkach zbliżonych do roboczych.
Abstract General guidelines and recommendations, given in the standard ST-IGG-0101:2014, related to gas meters calibration in conditions similar
to working conditions are described. (Guidelines for calibration of gas meters under pressure pr > 4 bar)
Słowa kluczowe: wzorcowanie, gazomierze, wytyczne
Key words: calibration, gas meters, guidelines
często powinno być wykonywane, zwrócono uwagę na
wpływ różnicy między warunkami wzorcowania a
warunkami roboczymi na charakterystykę gazomierza.
Wstęp
Intencją Zespołu opracowującego standard techniczny Izby
Gospodarczej Gazownictwa ST-IGG-0101:2014 Wytyczne
wzorcowania gazomierzy przy ciśnieniu pr > 4 bar było
zebranie i usystematyzowanie informacji przydatnych
wszystkim, którzy rozważają potrzebę wzorcowania
gazomierzy przy ciśnieniu bliskim ciśnieniu roboczemu. W
standardzie podano informacje niezbędne do zaplanowania
i przeprowadzenia wzorcowania gazomierzy przy ciśnieniu
roboczym większym od 4 bar. Wzorcowanie takie nie jest
uregulowane żadnymi przepisami krajowymi z zakresu
metrologii prawnej, nie należy go też mylić z obligatoryjną w
przypadku pomiarów rozliczeniowych legalizacją, która na
dzień dzisiejszy możliwa jest do wykonania jedynie
powietrzem atmosferycznym.
Standard zawiera również wytyczne dotyczące zapewnienia
spójności pomiarowej podczas wzorcowania gazomierzy z
międzynarodowymi lub państwowymi wzorcami miary.
Podano również czym należy się kierować przy wyborze
laboratorium wzorcującego oraz wskazano oczekiwania
względem świadectw wzorcowania i sposobu wykorzystania
wyników wzorcowania umożliwiającego uzyskanie jak
największych efektów w postaci zniwelowania błędów
systematycznych.
Z uwagi na ciągły rozwój techniki pomiarowej, oprócz
gazomierzy powszechnie obecnie stosowanych typów
uwzględniono takie, które obecnie nie są jeszcze
powszechnie stosowane, jak np. gazomierze wirowe i
gazomierze Coriolisa.
Wzorcowanie gazomierzy powietrzem atmosferycznym jest
w przypadku ich zastosowania do pomiarów gazu przy
ciśnieniu
roboczym
niemiarodajne.
Charakterystyki
gazomierzy w warunkach roboczych różnią się od tych
wyznaczonych za pomocą powietrza [1, 2, 3], jest też
wyraźny wpływ temperatury na charakterystyki [4].
Wzorcowanie gazomierzy gazem w warunkach bliskich
roboczym umożliwia wyznaczenie i skorygowanie ich
błędów systematycznych, a więc zwiększenie dokładności
pomiarów.
W dalszej części referatu omówiono kolejne zalecenia
standardu.
1
Czynniki, które należy wziąć pod uwagę przy
podejmowaniu decyzji o wzorcowaniu gazomierzy
przy ciśnieniu roboczym
Podstawowy czynnik to zastosowanie gazomierza. W
standardzie zalecono wzorcowanie przy ciśnieniu zbliżonym
do ciśnienia roboczego dla gazomierzy stosowanych do
celów rozliczeniowych i bilansowych. Nie zalecono
natomiast
takiego
wzorcowania
dla
gazomierzy
stosowanych do celów technologicznych.
W trakcie uzgodnień pojawiły się wątpliwości co do zawartej
w tytule standardu wartości 4 bar, argumentowano, że
przyjęcie wartości 5 bar jednoznacznie wskaże, że nie
podlegają mu gazomierze pracujące na ciśnieniu średnim.
Zespół nie zaakceptował tych propozycji, gdyż w Europie
powszechnie przyjęte jest kryterium 4 bar (PTB Pruefregeln
Band 30, EN 12261 i inne przepisy).
Kolejne kryterium to ciśnienie robocze, przy którym
funkcjonuje gazomierz. Kryterium to jest związane z typem
gazomierza i potraktowano je osobno dla różnych typów.
Dla gazomierzy turbinowych przyjęto kryterium zgodne z
[6] - ciśnienie robocze pr powinno zawierać się w granicach
od 0,5 pw (ciśnienia wzorcowania) do 2,0 pw.
Chociaż w Europie i świecie gazomierze od dawna
wzorcowane są w warunkach zbliżonych do roboczych [5]
to niewątpliwym impulsem do opracowania standardu były
plany budowy Laboratorium Wzorcowania Gazomierzy w
Hołowczycach, aczkolwiek już od wielu lat stosowane w
kraju gazomierze są wzorcowane za granicą w warunkach
zbliżonych do roboczych. W związku z tym nie ograniczano
się do gazu ziemnego a podano także informacje dotyczące
wzorcowania gazomierzy innymi gazami, stosowanymi w
innych laboratoriach, jak na przykład powietrze lub azot.
Jeśli przewidywane ciśnienie robocze, przy jakim będzie
pracował gazomierz turbinowy, zawiera się w zakresie od
15 bar do 35 bar to gazomierz można wywzorcować przy pw
= 20 bar, dzięki czemu może on być stosowany w zakresie
ciśnień 10 bar do 40 bar.
Dla gazomierzy rotorowych zmiany charakterystyki pod
wpływem ciśnienia są znikome, w szczególności dla
gazomierzy dwukadłubowych, tj. z kadłubem zewnętrznym,
W standardzie wskazano, w jakich warunkach i kiedy
wzorcowanie przy ciśnieniu roboczym jest celowe, jak
1
przenoszącym ciśnienie i naprężenia montażowe, i
osobnym, zamontowanym elastycznie wewnątrz wkładem
pomiarowym [7]. Dla takich gazomierzy standard odstępuje
od wzorcowania wysokociśnieniowego.
2
Ponieważ nie ma żadnych przepisów regulujących
częstotliwość wzorcowania (w odróżnieniu od legalizacji,
gdzie terminy są ściśle określone), przy opracowywaniu
standardu uwzględniono takie czynniki jak
Dla gazomierzy o konwencjonalnej budowie i stosowanych
przy ciśnieniu powyżej 16 bar zaleca się uzyskanie
deklaracji
producenta
o
wpływie
ciśnienia
na
charakterystyki, popartej wynikami badań i dopiero na tej
podstawie podjęcie decyzji co do konieczności
wzorcowania przy ciśnieniu roboczym.
Gazomierze ultradźwiękowe (USM) stosowane do
rozliczeń i bilansowania powinny być wzorcowane przy
ciśnieniu zbliżonym do roboczego, najlepiej wraz z
własnymi odcinkami dolotowym i wylotowym. Dla
gazomierzy do celów technologicznych dopuszcza się
wzorcowanie bez przepływu (tzw. „dry calibration”).
Zwrócono też uwagę na ograniczenia
gazomierzy ultradźwiękowych, mianowicie
Częstotliwość wzorcowania
a)
ocena charakterystyki wyznaczonej przy ciśnieniu
zbliżonym
do
roboczego
na
podstawie
charakterystyki niskociśnieniowej gazomierzy;
b)
zakres i intensywność eksploatacji gazomierzy;
c)
akceptowalne błędy pomiarów wykonywanych za
pomocą gazomierzy.
Jeśli chodzi o punkt a) to niezmienność charakterystyki
niskociśnieniowej (uzyskanej np. podczas kolejnych
legalizacji) może stanowić podstawę przyjęcia założenia co
do niezmienności charakterystyki przy ciśnieniu roboczym,
jednak w przypadku każdego gazomierza, warunkiem jest
posiadanie przez użytkownika statystycznie znaczącej [9]
ilości wyników wzorcowania gazomierza przy ciśnieniu
atmosferycznym i przy ciśnieniu roboczym, potwierdzających, że zmiana obu charakterystyk jest taka sama co do
kierunku i wielkości w granicach powtarzalności wskazań
gazomierza.
zastosowania
duża zawartość ditlenku węgla i wodoru w
mieszaninie gazowej może wpływać na pracę
USM, a nawet uniemożliwić ich działanie,
niektóre przetworniki ultradźwiękowe stosowane w
USM wymagają pewnego minimalnego ciśnienia
gazu (gęstości), aby zapewnić akustyczne
sprzężenie impulsów dźwiękowych wysyłanych i
odbieranych z gazu, może to w ogóle uniemożliwić
wzorcowanie powietrzem atmosferycznym.
Co do punktu b) to o tym jak często gazomierz jest
sprawdzany lub wzorcowany decyduje jakość (czystość)
przepływającego gazu, technologia wykonania gazomierza
oraz sposób (intensywność) eksploatacji, np. średni
strumień objętości. W Standardzie podano czynniki
wpływające na stabilność charakterystyk gazomierzy
turbinowych. W załączniku A podano też dane
statystyczne (procent gazomierzy turbinowych ponownie
zalegalizowanych), które mogą stanowić wskazówkę przy
podjęciu decyzji o ponownym wzorcowaniu.
Ponieważ producenci dopuszczają dla gazomierzy bardzo
duże prędkości przepływu, w skrajnych przypadkach
dochodzące do 50 m/s, zwrócono uwagę, że przy
prędkościach powyżej 16 m/s należy przeanalizować wpływ
błędu wynikającego z niepoprawnego pomiaru temperatury
wynikającego z jej wzrostu w punkcie spiętrzenia. Podano
też niezbędne informacje jak tego dokonać.
Najszerzej omówiono w standardzie metody związane z
punktem c). Jako kryteria można tu przyjąć
Dla gazomierzy wirowych zalecono wzorcowanie w takich
warunkach, aby zakres liczb Reynoldsa podczas
wzorcowania pokrywał się z zakresem Re w warunkach
roboczych. Zwykle spełnienie tego warunku wymaga
zastosowania ciśnienia bliskiego roboczemu, chociaż przy
zastosowaniu innych gazów niż gaz ziemny ciśnienie to
może odbiegać od roboczego.
a)
b)
c)
Gazomierze Coriolisa mierzą bezpośrednio strumień masy
i teoretycznie parametry medium zastosowanego podczas
wzorcowania nie wpływają na ich charakterystykę. W
rzeczywistości obserwowane są jednak rozbieżności
charakterystyk uzyskiwanych w różnych warunkach.
Wzorcowanie tych gazomierzy w warunkach zbliżonych do
przewidywanych warunków roboczych może więc być
uzasadnione, gdyż ciśnienie i temperatura gazu mogą
wpływać np. na sztywność układu rur pomiarowych.
przekroczenie dopuszczalnego błędu gazomierza;
przekroczenie wartości błędu wynikającej z
założonej
wielokrotności
odchylenia
standardowego;
przekroczenie ustalonej wartości obserwowanego
parametru;
Po przyjęciu określonego kryterium można zastosować
metodę opartą o analizę wyników kolejnych wzorcowań
wykonanych
w
laboratorium
na
stanowisku
do
wzorcowania, albo wyników porównania wskazań
gazomierza z innym gazomierzem zainstalowanym
szeregowo, np. w układzie U2 lub U3. Należy przy tym tak
dobierać gazomierze aby jeden nie zakłócał pracy drugiego
(np. gazomierz wirowy lub rotorowy generuje pulsacje, które
mogą zawyżyć wskazania gazomierza zwężkowego lub
turbinowego [10].
Charakterystykę gazomierzy zwężkowych wyznacza się
na podstawie obliczeń zgodnie z [8]. Indywidualne
wzorcowanie gazomierza zwężkowego pozwala jednak
wyraźnie zmniejszyć zarówno niepewność, jak i błędy
systematyczne pomiaru strumienia i ilości gazu. W takich
przypadkach należy jednak wzorcować cały zestaw, łącznie
z odcinkami dolotowymi wylotowym. Ważne jest też
zapewnienie, że wzorcowania dokonano w takim zakresie
liczb Reynoldsa, w którym gazomierz będzie stosowany, a
podczas wzorcowania należy wyznaczyć współczynnik
przepływu C w funkcji Re.
Przedstawiono też metody weryfikacji odstępów czasu
pomiędzy wzorcowaniami wg ILAC-G24:2007/OIML D
10:2007. Wybór odpowiedniej metody z tej grupy zależy od
wielu czynników, podano więc za OIML oszacowanie
przydatności metod (Tab. 1).
2
Tablica 1 – Szacunkowa przydatność metod weryfikacji
odstępów czasu pomiędzy wzorcowaniami
Cechy
Metoda
schodkowa
Karta
kontrolna
Czas
pracy
przyrządu
Czarna
skrzynka
Podejście
statystyczne
Niezawo
d-ność
Średnia
Wysok
a
Średnia
Wysoka
Średnia
Nakład
pracy
Mały
Duży
Średni
Mały
Duży
Równomierność
rozłożeni
a pracy
Średnia
Średnia
Zła
Średnia
Zła
Stosowność w
odniesieniu do
poszczególnych
urządzeń
Średnia
Dostępność
przyrządów
Średnia
3
Niska
Średnia
Wysoka
Średnia
Wysoka
Duża
Tablica 2 – Wartości ciśnień wzorcowania w zależności
od stosowanego gazu
Rodzaj
gazu w
sieci
Gaz
ziemny
zaazotowany –
ciśnienie
robocze
50 bar
Niska
Gaz
ziemny
wysokom
etanowy
ciśnienie
robocze
50 bar
Średnia
Różnica między warunkami wzorcowania a
warunkami użytkowania
Gaz w
stanowisku do
wzorcowania
Ciśnienie
wzorcowania (bar)
Gaz ziemny
zaazotowany
50
Gaz ziemny
wysokometanowy
53,8
Powietrze
49,9
Azot
44,9
CO2
25,8
Gaz ziemny
zaazotowany
46,6
Gaz ziemny
wysokometanowy
50
Powietrze
46,5
Azot
41,9
CO2
24,1
Zwrócono
uwagę
na
konieczność
zachowania
podobieństwa dynamicznego podczas wzorcowania
gazomierzy turbinowych. Podano w postaci tablicy (tab. 2)
jakie ciśnienia należy przyjąć podczas wzorcowania innymi
gazami niż gaz ziemny dla zachowania podobieństwa.
Na charakterystyki większości gazomierzy ma wpływ rodzaj
gazu, zwłaszcza jego lepkość i gęstość, a także
temperatura i ciśnienie. Gęstość zależy silnie od ciśnienia i
temperatury, co powoduje ich znaczący wpływ pośredni.
Występują też zmiany charakterystyki gazomierza
spowodowane wpływem ciśnienia i temperatury na
odkształcenia korpusu i innych elementów.
Przedstawiono, jak na charakterystyki gazomierza wpływa
liczba Reynoldsa, ciśnienie, gęstość, strumień objętości i
temperatura. Podano wzory umożliwiające oszacowanie
wpływu temperatury na charakterystyki gazomierza.
Gazomierze bardzo rzadko pracują w warunkach, przy
których były wzorcowane. Spowodowane jest to
nieuniknionymi zmianami ciśnienia i temperatury, które
występują w warunkach rzeczywistych, podczas gdy w
trakcie wzorcowania parametry te są ściśle określone i
stabilizowane. Czasem do wzorcowania stosuje się inne
gazy niż te, do których gazomierz jest przeznaczony, np.
powietrze atmosferyczne lub azot. Nawet, jeżeli do
wzorcowania zastosowano gaz ziemny, to może on mieć
inny skład niż gaz, który za pomocą tego gazomierza ma
być mierzony. W związku z tym w Standardzie omówiono
dla najczęściej stosowanych gazomierzy:
W załączniku B omówiono fizyczne przyczyny wpływu
parametrów
gazu
na
charakterystyki
gazomierzy
turbinowych, przybliżające i uzasadniające przyczyny
wprowadzenia ww. zaleceń.
Dla gazomierzy wirowych zalecono wzorcowanie z
zachowaniem takiego samego zakresu liczb Reynoldsa w
warunkach roboczych i podczas wzorcowania, Podano też
wzór do korekcji wpływu rozszerzalności temperaturowej
korpusu gazomierza.
wielkości, których zmiany mają największy wpływ
na charakterystyki stosowanych gazomierzy oraz
charakter tego wpływu;
sposoby obliczania poprawek podawane w
dokumentach źródłowych.
Dla gazomierzy ultradźwiękowych zalecono wzorcowanie
pod ciśnieniem i w temperaturze, które są zbliżone do
występujących w warunkach użytkowania. Podano też
wzory umożliwiające oszacowanie błędów spowodowanych
odkształceniami korpusu gazomierza wskutek zmian
ciśnienia i temperatury.
Na charakterystyki gazomierzy turbinowych wpływają
lepkość, gęstość, temperatura, rodzaj gazu oraz materiały
wykorzystane do budowy i sama konstrukcja gazomierza –
przede wszystkim kształt geometryczny części wlotowej i
łopatek turbiny oraz momenty tarcia w łożyskach turbiny
zależne od konstrukcji ułożyskowania.
Dla gazomierzy Coriolisa zwrócono uwagę na
konieczność korekcji wpływu temperatury na sztywność rur
pomiarowych. Jest ona realizowana standardowo przy
zastosowaniu wewnętrznego czujnika temperatury i nie
wymaga żadnej ingerencji ze strony użytkownika. W
niektórych, bardziej zaawansowanych rozwiązaniach,
korekcja wpływu ciśnienia na sztywność rur może być także
realizowana w sposób automatyczny z wykorzystaniem
zewnętrznego pomiaru temperatury.
Występuje także wpływ ciśnienia na wynik pomiaru,
spowodowany zmianą sztywności rur pomiarowych, podano
wzór umożliwiający korekcję wpływu ciśnienia.
3
O ile wykazane to jest odpowiednimi badaniami, np. [11,12]
to istnieje możliwość wzorcowania gazomierzy Coriolisa
wodą, dotyczy to jednak wyłącznie określonego typu
gazomierza.
4
Spójność pomiarowa
W standardzie zawarto wytyczne dotyczące zapewnienia
spójności
pomiarowej
wyników
wzorcowania
z
międzynarodowymi wzorcami miary, poprzez wzorcowanie
gazomierzy za pomocą gazu ziemnego, powietrza lub azotu
pod ciśnieniem wyższym od 4 bar. Dla innych gazów [13,
14] zalecono wykazanie przez laboratorium spójności
pomiarowej i równoważności warunków wzorcowania w
oparciu o inne dokumenty.
Omówiono sposoby zapewnienia spójności pomiarowej
przy zastosowaniu wzorców pośredniczących oraz przy
zastosowaniu
wzorców
pierwotnych,
powiązanych
bezpośrednio z jednostkami podstawowymi układu SI (m,
kg, s).
Przedstawiono warunki zapewnienia spójności pomiarowej
z europejskim zharmonizowanym metrem sześciennym
gazu ziemnego [14] oraz zharmonizowanymi metrami
sześciennymi powietrza i azotu pod ciśnieniem.
W załączniku C podano parametry dla których wyznaczono
wartości zharmonizowanego metra sześciennego gazu
ziemnego, azotu i powietrza
Rys. 2 Układ sprawdzań obowiązujący w Holandii po zbudowaniu
laboratorium Euroloop wg [16]
Kryteria wyboru laboratorium wzorcującego
5
W załączniku D podano przykłady różnych koncepcji
zapewnienia spójności pomiarowej.
Poniżej przedstawiono zalecane przez standard kryteria
wyboru laboratorium wzorcującego gazomierze użytkowe.
Zwrócono uwagę zwłaszcza na fakt, że skrócenie łańcucha
porównań zastosowanego podczas zapewniania spójności
pomiarowej w istotny sposób wpływa na zmniejszenie
niepewności wzorcowania.
Przedstawiono to na rys. 1 i 2, które przedstawiają kolejno
układy sprawdzań stosowane w Holandii przed [15] i po
zbudowaniu laboratorium
Euroloop [16], w którym
zastosowano inny niż dotąd sposób realizacji wzorca
podstawowego, jak też wzorców stosowanych do
porównań.
a)
posiadanie
przez
laboratorium
certyfikatu
akredytacji systemu zarządzania wg
EN
ISO/IEC 17025:2005 w zakresie wzorcowania
gazomierzy;
b)
opcjonalnie – posiadanie uprawnień dla punktu
legalizacyjnego;
c)
zapewnienie spójności pomiarowej z europejskim
zharmonizowanym metrem sześciennym gazu
ziemnego pod ciśnieniem;
d)
opcjonalnie zapewnienie spójności pomiarowej ze
zharmonizowanym metrem sześciennym azotu lub
powietrza pod ciśnieniem;
e)
stosowane medium (gaz ziemny, powietrze, inne);
f)
dostępny zakres strumieni objętości;
g)
stosowane ciśnienia wzorcowania.
Ponadto omówiono szereg kryteriów o charakterze
metrologicznym, przede wszystkim deklarowaną przez
laboratorium wzorcujące wartość CMC (calibration and
measurement capability), czyli najmniejsza niepewność
pomiaru, jaką dane laboratorium może osiągnąć w swoim
zakresie akredytacji podczas wykonywania normalnej
pracy, tj. w trakcie wzorcowania gazomierzy, powinna być
mniejsza
od
oczekiwanej
niepewności
wyników
uzyskiwanych za pomocą gazomierza użytkowego.
Zaleca się, aby deklarowana przez laboratorium wzorcujące
wartość CMC dotycząca wzorcowanych gazomierzy była co
najmniej dwukrotnie lepsza od oczekiwanej niepewności
wyników
uzyskiwanych
za
pomocą
gazomierza
użytkowego.
Rys. 1
Układ sprawdzań obowiązujący w Holandii przed
zbudowaniem laboratorium Euroloop wg [15]
Podkreślono, że gazomierz wzorcowany nie zakłóca
procesu wzorcowania i zwiększa niepewność pomiaru tylko
o wartość niepewności wynikającej z powtarzalności
wskazań samego gazomierza. Najlepszymi gazomierzami
4
wzorcowymi mogą być specjalnie
wyselekcjonowane wzorce robocze.
wykonane
lub
a)
b)
c)
d)
e)
f)
rodzaj gazomierza;
maksymalny strumień objętości QV,max gazomierza;
zakresowość gazomierza;
rok produkcji;
typ połączenia kołnierzowego;
informacje o medium, za pomocą którego wykonano
wzorcowanie – w przypadku gazu ziemnego należy
podać:
− zawartość H2 w % molowych;
− zawartość CO2 w % molowych;
3
− gęstość w warunkach normalnych w kg/m ;
− współczynnik ściśliwości;
3
− wartość ciepła spalania w MJ/m lub w kWh;
g) wyniki pomiarów w funkcji zadanego strumienia
objętości;
h) przeliczenie zadanego strumienia objętości na
wartości liczb Reynoldsa;
i)
błąd gazomierza wzorcowanego w % zadanego
strumienia objętości;
j)
niepewność pomiaru dla każdej wartości strumienia
objętości;
k)
ciśnienie przy którym gazomierz był wzorcowany;
l)
niepewność pomiaru ciśnienia;
m) gęstość gazu w warunkach wzorcowania;
n)
temperaturę gazu w czasie wzorcowania;
o)
temperaturę otoczenia w czasie wzorcowania;
p)
lepkość dynamiczną gazu podczas wzorcowania;
q)
w przypadku gazomierzy impulsowych ilość impulsów
na metr sześcienny gazu;
r)
wzór, z którego wyznaczany jest błąd pomiaru;
s)
warunki środowiskowe, w których wykonano
wzorcowanie, a które mają wpływ na wyniki pomiarów.
t)
W przypadku gazomierzy ultradźwiękowych wersję
oprogramowania i sumy kontrolne oraz konfigurację
gazomierza.
7 Wyznaczanie charakterystyki gazomierza i jej
wykorzystanie
W przypadku gdy nie jest określona oczekiwana wartość
niepewności wyników wzorcowania, należy przyjąć jako tę
wartość typową wartość niepewności podaną w
odpowiedniej normie przedmiotowej, np. zgodnie z PN-ISO
17089-1:2013
typowa
niepewność
gazomierzy
ultradźwiękowych w przypadku pomiarów rozliczeniowych
powinna być mniejsza niż 0,7 %, zalecono więc, aby
wartość CMC laboratorium była w tym przypadku nie
większa niż 0,35 %.
W przypadku wzorcowania gazomierza w funkcji Re, krzywa
wzorcowania może być wyznaczona za pomocą różnych
mediów, przy różnych ciśnieniach i strumieniach objętości i
dowolnej kombinacji tych warunków.
Jeżeli wzorcowania gazomierza użytkowego przeprowadza
się w różnych laboratoriach, należy szczególną uwagę
zwrócić na wyniki w nakładającym się zakresie liczb Re.
Jeżeli w tym zakresie różnica pomiędzy uzyskanymi
wartościami błędów będzie większa niż niepewność
rozszerzona wyznaczenia tej różnicy, uzyskane wyniki
należy odrzucić i ponownie wykonać wzorcowanie.
Otrzymane wyniki w nakładającym się zakresie Re uznaje
się za poprawne, jeśli spełniony jest warunek:
1
EG 1
2
EG 2
2
1
(1)
U ( EG 1 ) U ( EG 2 )
Ponieważ w praktyce wzorcowania wykonuje się przy
różnych wartościach Re, zaleca się, aby w zakresie
nakładających się liczb Re krzywa błędów gazomierza była
aproksymowana wielomianem.
Zalecono, aby gazomierze stosowane do pomiarów
rozliczeniowych przy ciśnieniu roboczym pr > 4 bar
współpracowały
z
przelicznikami
umożliwiającymi
wprowadzenie charakterystyki lub zapewnienie możliwości
aproksymacji wyników wzorcowania.
6
Efektem wzorcowania gazomierza są wartości jego błędów
w funkcji strumienia objętości lub w funkcji liczby
Reynoldsa. Znajomość tych błędów jest warunkiem
koniecznym do ich skorygowania. Skorygowanie błędów
prowadzi do zmniejszenia niepewności pomiaru. Jeśli
bowiem błędy nie będą uwzględnione (przez wprowadzenie
krzywej błędów do przelicznika) to stają się częścią
składową niepewności pomiaru.
Zawartość świadectwa wzorcowania
Wyniki każdego wzorcowania powinny być podane
dokładnie, jasno, jednoznacznie i obiektywnie i zgodnie z
określonymi
instrukcjami
zawartymi
w
metodach
wzorcowań. Podano minimalne wymagania co do
zawartości świadectw. Minimum niezbędnych informacji
wyszczególniono poniżej.
Posługiwanie
się
charakterystyką
niskociśnieniową
wyznaczoną np. podczas legalizacji za pomocą powietrza
do korekcji błędu gazomierza mierzącego objętość gazu
przy ciśnieniu większym niż
4 bar nie ma jednak
uzasadnienia, ponieważ nie są znane zależności pomiędzy
błędami gazomierzy przy pracy w różnych warunkach.
Wymagane informacje ogólne (na podstawie PN-EN
ISO/IEC 17025:2005):
a) nazwę
i
adres
laboratorium
wykonującego
wzorcowanie oraz miejsce wykonania wzorcowania,
jeśli jest ono inne niż adres laboratorium;
b) dane dokumentu stwierdzającego kompetencje
laboratorium;
c)
niepowtarzalną identyfikację świadectwa wzorcowania
i oznaczenie na każdej stronie;
d) nazwę i adres klienta;
e) identyfikację zastosowanej metody;
f)
opis, stan i jednoznaczną identyfikację gazomierza
(numer fabryczny);
g) datę wystawienia świadectwa wzorcowania;
h) wyniki wzorcowania wraz z właściwymi jednostkami
miar;
i)
nazwisko i podpis osoby autoryzującej świadectwo.
W celu skorygowania błędów gazomierza zaleca się
wprowadzanie do przelicznika jego charakterystyki
wyznaczonej przy ciśnieniu zbliżonym do ciśnienia
roboczego.
Wyznaczanie charakterystyk gazomierzy
Charakterystykę gazomierza turbinowego, USM, wirowego i
zwężkowego można wyznaczyć przy jednej lub kilku
wartościach ciśnienia w wybranych punktach zakresu
pomiarowego. W przypadku wyznaczenia charakterystyki
przy kilku wartościach ciśnienia i/lub za pomocą różnych
mediów, zaleca się uporządkowanie błędów w funkcji liczby
Reynoldsa.
Wyznaczanie charakterystyki
objętości
Wymagane dane szczegółowe:
5
w
funkcji
strumienia
Błędy wskazań gazomierza wyznacza się zwykle dla
następujących wartości strumienia objętości różniących się
nie więcej niż o 5 % od następujących wartości: QV,min; 0,05
QV,max (w przypadku, gdy wartość ta jest większa od QV,min);
0,10 QV,max (dla zakresowości do 1:30) lub 0,15 QV,max (dla
zakresowości od 1:50); 0,25 QV,max; 0,40 QV,max; 0,70 QV,max
i QV,max. Dla gazomierzy o zakresowości od 1:5 do 1:30
zaleca się wyznaczyć wartości błędów dla wartości
strumieni objętości różniących się nie więcej niż o 5 % od
następujących wartości: QV,min, 0,05 QV,max,
0,1 QV,max,
0,25 QV,max, 0,40 QV,max, 0,7 QV,max, QV,max.
powinna przekraczać 0,3 % dla DN > 100 oraz 0,5 % dla
DN ≤ 100 [6].
Wyznaczanie charakterystyki w funkcji liczby
Reynoldsa
Zaleca się przedstawić błędy gazomierza w funkcji liczby
Reynoldsa jeżeli wzorcowania, zgodnie z [6] dokonuje się
przy więcej niż jednym ciśnieniu, tj. dla przypadku gdy
ciśnienie robocze pr,max/pr,min > 4.
Jeżeli charakterystyka gazomierza jest wyznaczana na
różnych stanowiskach i/lub za pomocą różnych mediów,
wówczas składa się ona z kilku odrębnie wyznaczonych
krzywych. Zaleca się, aby były one wyznaczone w zakresie
nakładających się liczb Reynoldsa.
Możliwe jest wyznaczenie błędów dla większej liczby
punktów (wartości strumieni objętości) lub w innych
punktach, jeżeli jest to uzasadnione:
a)
b)
c)
W przypadku wzorcowania gazomierza użytkowego w
różnych laboratoriach w funkcji strumienia objętości,
użytkownik powinien sam wyznaczyć charakterystykę
gazomierza w funkcji Re.
ze względu na przewidywane warunki pracy
gazomierza, lub
specyficznym przebiegiem charakterystyki danego
gazomierza, lub
ze względów ekonomicznych.
W tym celu należy wyznaczyć wartość lepkości
kinematycznej tych gazów, które mają być użyte do
wzorcowania i zastosować zależności (15) do (17).
Wyznaczanie
charakterystyki
w
funkcji
liczby
Reynoldsa
Błędy gazomierza mogą być wyznaczone bezpośrednio
przez laboratorium wykonujące wzorcowanie.
Wprowadzanie
charakterystyki
gazomierza
do
przelicznika
Przelicznik może być przystosowany do korygowania
błędów gazomierza. Wg prEN 12405-3:2013(E), korekcja
błędów powinna być stosowana jedynie w następujących
zakresach:
Podczas wzorcowania gazomierza w funkcji Re strumień
objętości, niezależnie od przepływającego medium, nie
powinien przekroczyć wartości Qmax.
Jeżeli laboratorium wykonuje wzorcowanie w funkcji Re, to
użytkownik może sam określić, w jakim zakresie liczb Re
należy je wykonać.
a)
w przypadku jednego ciśnienia wzorcowania:
0,95 Q1 < Qr < 1,05 Qmax
0,9 pw < pr < 1,1 pw
Wyznaczanie charakterystyki gazomierza turbinowego
przy kilku wartościach ciśnienia
Charakterystykę przy kilku wartościach ciśnienia wyznacza
się zwykle wtedy, gdy przewiduje się, że gazomierz będzie
pracował w szerokim zakresie ciśnień.
0,9 Re1 < Rer <Remax
b)
w przypadku dwóch ciśnień wzorcowania;
0,95 Q1,min < Qr < 1,05 Qmax
Zgodnie z PN-EN 12261:2005/A1:2008, gdy górna wartość
graniczna zakresu ciśnienia roboczego podanego przez
użytkownika będzie 4-krotnie większa od dolnej wartości
granicznej zakresu ciśnienia roboczego podanego przez
użytkownika, wymagane jest wykonanie dwóch badań przy
pw,min, i pw,max.
0,9 pw1 < pr < 1,1 pw2
0,9 Rew1,min < Rer < Rew2, max
Wartości błędów gazomierza wyznaczone przy jednej
wartości ciśnienia stanowią zbiór sześciu lub więcej
punktów. Błędy są wyznaczane z niepewnością wynikającą
z niepewności wzorcowania. Wykorzystanie wyników
wzorcowania przez przelicznik wymaga przyjęcia metody
aproksymacji tych błędów.
Gazomierze spełniające przy dwóch wartościach ciśnienia
wymagania norm przedmiotowych w odniesieniu do błędu
wskazania, błędu liniowości i błędu średniego ważonego
uznaje się za spełniające te właściwości metrologiczne w
zakresie ciśnień roboczych od 0,5 pw do 2,0 pw (patrz 7.2.4).
Stosowane są następujące rozwiązania:
a) aproksymacja odcinkowa;
b) aproksymacja
funkcją
analityczną,
wielomianem stopnia ≤ 4;
c) przyjęcie stałej wartości błędu EG = WME.
Dla gazomierzy innych typów zaleca się stosowanie
powyższych wytycznych, o ile producent gazomierza nie
stwierdzi inaczej lub nie zostaną opublikowane odpowiednie
wytyczne lub przepisy.
zwykle
Aproksymacja odcinkowa
Podczas aproksymacji odcinkowej stosuje się linię łamaną,
węzłami linii łamanej są punkty wyznaczone podczas
wzorcowania.
Przykład aproksymacji przedstawiono na rys. 3.
Wyznaczanie charakterystyki w funkcji strumienia
objętości
Błędy wyznacza się zwykle w takich samych punktach dla
wszystkich ciśnień wzorcowania.
W przypadku wzorcowania przy więcej niż jednym
ciśnieniu, różnica między wynikami dla gazomierza
turbinowego w zakresie 0,25 QV,max i QV,max nie powinna
przekraczać 0,5 % dla gazomierzy o DN > 100 oraz 1 % dla
gazomierzy o DN ≤ 100.
Przy każdym ciśnieniu większym od 4 bar, różnica
pomiędzy najwyższą i najniższą wartością błędu wskazań
przy strumieniach gazu od 0,25 QV,max do QV,max nie
6
Dla
oceny
jakości
funkcji
korygującej
podczas
porównywania
różnych
sposobów
aproksymacji
charakterystyki należy stosować kryterium w postaci
podwójnego odchylenia standardowego aproksymacji,
będącego miarą niepewności standardowej Uapr (patrz rys.
4).
+1
E
%
0
Zalecono się wybór tej spośród funkcji aproksymujących,
dla której:
-1
0
20
40
60
80
a)
100 %
Q/Q max
b)
Rys. 3 Aproksymacja odcinkowa – linie czarne (linia zielona –
prawdopodobny przebieg krzywej błędów)
Aproksymacja funkcją
Zgodnie z PN-EN 12405-1+A2:2010, błąd gazomierza
powinien być korygowany za pomocą funkcji korygującej
f(Q) w taki sposób, że dla każdego punktu pracy:
Vkor,Q= V • f (Q)
Uśrednienie wartości
Jeżeli zakres zmian ciśnienia roboczego jest duży, tj.
pr,max/pr,min jest bliskie 4, to zaleca się przyjęcie stałej,
uśrednionej wartości błędu wyznaczonego w funkcji
strumienia objętości w postaci błędu średniego ważonego
WMEQ, wyznaczanego wg wzoru:
(2)
W
standardzie
zalecono
korygowanie
błędów
wyznaczonych w funkcji liczby Reynoldsa za pomocą
funkcji korygującej f(Re) tak, że dla każdego punktu pracy:
Vkor,Re= V • f (Re)
n
ki EG i
(3)
WMEQ
Jeśli stosuje się interpolację nieliniową miedzy punktami
wzorcowania, wytwórca powinien przedstawić dowód na to,
że metoda ta ma lepszą dokładność ważoną (odpowiednio
względem strumienia objętości lub liczby Reynoldsa) niż
metoda interpolacji liniowej.
(5)
i 1
n
ki
i 1
gdzie:
Dobór parametrów funkcji korygującej f(Q), aproksymującej
wyniki wzorcowania, powinien być taki, aby funkcja
pozostawała we wszystkich punktach określona, ciągła i
różniczkowalna dla strumieni między Qmin i Qmax.
Jeżeli błędy wyznaczone są w procentach, to funkcja
korygująca ma postać:
f (...)
wartość podwojonego odchylenia standardowego
aproksymacji Uapr (patrz Rysunek 7) będzie
najmniejsza;
największa różnica między wartością błędu a
wartością
aproksymowaną
tego
błędu
(maksymalny błąd podstawowy) będzie nie
większa niż 0,15 %.
ki
Qi
Qmax
ki
1.4
dla Qi
Qi
Qmax
a przypadku
Reynoldsa
100
EG ... 100
dla 0.7 Qmax
wyznaczenia
błędów
Qmax
w
funkcji
liczby
k i EG i
WME Re
gdzie:
Przykład aproksymacji błędów w funkcji liczby Reynoldsa
przedstawiono na Rysunku 7.
ki
i 1
(6)
n
ki
i 1
Rei
Remax
+1
LITERATURA
Gaz ziemny 3,5 bar
Gaz ziemny
[1]8 barD. Schmiettner.:
Gaz ziemny 20 bar
E
%
Verhalten von Turbinenradgaszaehlern im Hochdruckbereich. GWF-gas/erdgas, 125,
(1984), Heft 8.
0
[2]
Raczyński A., Witos M., Stasiak J.: Wpływ ciśnienia na
zakresowość gazomierzy turbinowych na przykładzie
gazomierzy CGT firmy Common. Pomiary, Automatyka, Robotyka, 1, 1998, s. 9-13.
[3]
Dyakowska E., Jastrzębska R., Stańczak P.: Czy
konieczne jest wzorcowanie gazomierzy turbinowych
przy przewidywanym ciśnieniu roboczym ? Pomiary,
Automatyka, Robotyka, 1, 1998, s. 30-33.
U apr
1
10
100 x 100 000
Re
Gaz ziemny 3,5 bar
Gaz ziemny 8 bar
Gaz ziemny 20 bar
[4] Aschenbrenner A.: Der Einfluss der Gastemperatur auf
das Messverhalten von Turbinenrad-gaszaehler. PTB
Mitteilungen 88, 5/78
U apr
Rys. 4 Przykład aproksymacji wyników wzorcowania funkcją
korygującą w zależności od Re
100 x 100 000
Qi
n
(4)
Stosowane są różne postaci funkcji aproksymujących błędy
w funkcji strumienia lub liczby Reynoldsa. Dla gazomierzy
turbinowych zaleca się odcinkową aproksymację błędów
(patrz Rysunek 6) lub aproksymację wielomianem.
-1
0.7 Qmax oraz
7
[5] Turkowski M., Dyakowska E.: Wzorcowanie
gazomierzy na wysokim ciśnieniu w Europie, Gaz,
Woda, Technika Sanitarna, lipiec – sierpień 2008.
[6]
PN-EN 12261/A1:2008 Gazomierze -- Gazomierze
turbinowe
[7]
Dijstelbergen H.H. Pulsation free rotary piston meter
th
for use as reference standard. 4 symposium on Fluid
Flow Measurement, Denver, Colorado, USA, June 27
– 30, 1999.
[8]
PN-EN ISO 5167-2:2005 Pomiary strumienia płynu za
pomocą zwężek pomiarowych wbudowanych w
całkowicie wypełnione rurociągi o przekroju kołowym - Część 2: Kryzy
[9]
Montgomery, D.C.: Introduction to Statistical Quality
Control John Wiley & Sons, 4th ed., 2000.
[10]
ISO CD TR 3313:1997 – The effect of flow pulsation
on flow measuring instruments: orifice plates, nozzles
or Venturi tubes, turbine and vortex flow meters.
[11]
Nederlands Meetinstituut (NMi) – Evaluation
certificate Number TC7056, Dordrecht, 2 May 2007 +
Revision Number TC7057, Dordrecht, 18 June 2007.
[12]
Micro Motion White Paper by Keven Dunphy. Why
Micro Motion Water Calibrations Are Valid for Gas
Applications, 2002, Micro Motion, Inc.
[13] George D.L., Feaser H.L., Nored M., Tang P.W.:
Carbon Dioxide as a Test Fluid for Calibration of
Turbine Meters. American Gas Association Spring
Conference 2004, Washington D.C., May 2004.
[14] Tang P.W. Improving Turbine Meter Measurement by
Alternate Fluid Calibration. Canadian School of
Hydrocarbon Measurement, Calgary, 20 – 21.03.2007.
[15] Dopheide D. i inni: Harmonized European Gas Cubic
Meter for Natural Gas as realized by PTB, NMi-VSL
and BNM and its meaning for international trade,
materiały III KONFERENCJI TOp-GAZ 2005, Rogów,
19-21 września 2005.
[16] Jos G. M. van der Grinten: From Paris to Westerbork
and abroad. Nederlands Meetinstitut, 1995.
[17] Mijndert P. van der Beek: EuroLoop: Metrological
concepts for efficient calibrations and primary
realization of accurate reference values in flow.
8