Дегтерев К. Б., Евстифеев А. А., Панов И. А., Рябинков А. И.

Компания Взлет на протяжении десятилетий развивает не только производство приборов учёта, но и собственную научно-техническую и метрологическую инфраструктуру. Одним из ключевых элементов этой базы стала уникальная разработка — единственная в России поверочная установка водонапорного типа с расходной характеристикой до 10 000 м³/ч — Взлет ПУ.

Рис.1 Водопроливная установка Взлет ПУ

Этот измерительный комплекс стал логичным продолжением стратегического курса компании на создание высокоточных средств измерений и развитие независимой метрологической базы. Установка служит не просто инструментом контроля качества: она занимает важное место в верхнем звене метрологической цепи и позволяет проводить поверку расходомеров большого диаметра в диапазонах, ранее недоступных для типовых решений.

Созданная специалистами Взлет в ответ на запрос отрасли, установка обеспечивает единство измерений в условиях, максимально приближенных к реальной эксплуатации.

Создание и внедрение таких установок требует не только инженерной смелости, но и глубокого понимания основ метрологии — науки, стоящей за всеми точными измерениями в промышленности. Чтобы оценить значение водопроливной установки в контексте отрасли, важно напомнить, почему метрология играет ключевую роль в обеспечении надёжности учёта и технологической безопасности.

Метрология

Основным способом получения информации о свойствах объектов материального мира является измерение. Полученные таким образом данные называют измерительной информацией. Абсолютно точных измерений не бывает, так как результаты любых измерений всегда содержат погрешности. Поэтому результат должен сопровождаться оценкой погрешности измерения, либо дополняться сведениями, позволяющими потребителю измерительной информации оценить точность измерения самостоятельно.

Наукой, изучающей измерения, является метрология (от греч. «метрон» — мера и «логос» — учение). Дословный перевод слова «метрология» — учение о мерах. Метрология в современном понимании — это наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства, и способах достижения требуемой точности.

Единство измерений — состояние измерений, при котором их результаты выражены в узаконенных единицах и погрешности измерений известны с заданной вероятностью. Это необходимо для сопоставления результатов измерений, полученных в разное время, в разных местах и с применением различных средств. Точность измерений характеризуется близостью их результатов к истинному значению измеряемой величины. Таким образом, важнейшей задачей метрологии является обеспечение единства и необходимой точности измерений.

Во многих странах мероприятия по обеспечению единства и требуемой точности измерений закреплены законодательно. Этот раздел науки называется законодательной метрологией и включает правила, нормы и требования, регулируемые государственными стандартами и обязательными нормативно-техническими документами. Законодательная метрология разрабатывает и внедряет нормы и правила выполнения измерений, порядок разработки и испытаний средств измерений; устанавливает требования, направленные на достижение единства измерений, устанавливает термины и определения. Все эти нормы, правила и требования устанавливаются государственными стандартами — Государственной системой обеспечения единства измерений и другими обязательными к применению нормативно-техническими документами.

Для обеспечения единства измерений необходима тождественность единиц, в которых проградуированы все средства измерений одной и той же физической величины. Это достигается за счёт точного воспроизведения и хранения установленных единиц физических величин и передачи их размеров применяемым средствам измерений. Воспроизведение, хранение и передача размеров единиц осуществляется с помощью эталонов и образцовых средств измерений. Эталоны являются высшим звеном в метрологической цепи передачи размеров единиц измерений. Основное назначение эталонов — служить материально-технической базой воспроизведения и хранения единиц физических величин.

Эталон — средство измерений (или комплекс средств измерений), обеспечивающее воспроизведение и хранение единицы физической величины (или одну из этих функций) с целью передачи размера единицы образцовым, а от них рабочим средствам измерений, и утверждённое в качестве эталона в установленном порядке. Если эталон воспроизводит единицу с наивысшей в стране точностью, он называется первичным. Первичный, или специальный эталон, утверждённый в качестве исходного для страны, называется государственным. Государственные эталоны утверждаются Росстандартом. Возглавляют иерархические схемы передачи единиц — государственные поверочные схемы.

В метрологической практике широко распространены вторичные эталоны, передача единиц которым производится от первичных методом непосредственного сличения или при помощи эталонов сравнения. Вторичные эталоны являются частью подчиненных средств хранения единиц и передачи их размера. Они создаются и утверждаются в тех случаях, когда это необходимо для организации поверочных работ и для обеспечения сохранности и наименьшего износа государственного эталона.

Рис.2 Система трубопроводов проливной установки

Практические результаты и развитие разработок

Введение в эксплуатацию проливной установки Взлет ПУ стало важнейшей вехой не только в создании уникальной метрологической инфраструктуры компании, но и в развитии линейки оборудования.

Электромагнитные расходомеры

Появившаяся возможность определения метрологических характеристик методом непосредственного сличения для средств измерений с номинальным размером, превышающим DN300, позволила значительно расширить типоряд электромагнитных расходомеров, разрабатываемых компанией Взлет, вплоть до DN1200. Это стало основой для утверждения нового типа средств измерений — «Расходомеры-счетчики электромагнитные ВЗЛЕТ», который объединил в себя все последние наработки компании в области электромагнитной расходометрии.

Ультразвуковые расходомеры

Комплексное использование различных эталонных средств из состава установки — образцовых расходомеров, весовых устройств и мер вместимости — позволило значительно повысить достоверность получаемых результатов. В сочетании с уникальными точностными характеристиками (вторичный эталон по ГПС) и эксплуатационными пре-имуществами (широкий диапазон воспроизводимых расходов, равномерное распределение поля скоростей потока на участках установки приборов, поддержание значения рас-хода с минимальными отклонениями от заданного) это создало благоприятные условия для разработки линейки высокоточных ультразвуковых расходомеров семейства Взлет МР. В настоящее время ведется отработка решений по повышению точности этих приборов вплоть до пределов относительной погрешности ±0,1%.

Вернемся вновь к теме статьи и рассмотрим характеристики построенной установки сквозь призму изложенных принципов.

Рис.3 Напорная башня из состава установки

Водопроливная установка Взлет ПУ построена на основе водонапорной башни высотой 30 метров и объемом 220 м³. Она включает в себя систему трубопроводов и управляемых регулирующих задвижек, а также эталонных расходомеров и весовых устройств. Измерительные участки для установки испытуемых приборов сменяемы и позволяют устанавливать на них средства измерений диаметром до 1200 мм. Установка позволяет воспроизводить расход в диапазоне от 0,01 м³/ч до 10 000 м³/ч. Время проливки на максимальном расходе составляет около 60 секунд.

Методы измерения

На установке реализованы три метода измерения: метод сличения непосредственно с эталонными расходомерами, измерение массы весовыми устройствами и измерение уровня в напорной башне. 

Рис.4 Образцовые расходомеры из состава проливной установки

Для этого в состав установки были включены эта-лонные расходомеры различных диаметров; весовые устройства, позволяющие измерять массу до 20 кг, 1,5 т, 5 т и 25 т; и башня, которая, благодаря применению смелых инженерных решений, сама превратилась в средство измерений объема.

Рис.5 Весовые устройства из состава проливной установки

Использование каждого метода, а также их комбинаций позволяют производить высокоточные измерения во всем диапазоне расходов, воспроизводимых установкой.

Рис.6 Система прямого сброса жидкости из меры вместимости (башни) проливной установки

Установка аттестована специалистами Всероссийского научно-исследовательского института расходометрии (ВНИИР) — филиала ФГУП «ВНИИМ имени Д. И. Менделеева» и является вторичным эталоном согласно государственной поверочной схемы для средств измерений массы и объёма жидкости в потоке, объёма жидкости и вместимости при статических измерениях, массового и объёмного расходов жидкости.

Характеристики установки показывают, что создан и введён в эксплуатацию из-мерительный комплекс, способный воспроизводить расход в диапазонах и для диаметров, недостижимых для большинства существующих аналогов. По своим метрологическим возможностям эта установка уникальна — как в масштабах страны, так и на мировом уровне. Она занимает одно из ключевых мест в верхнем звене метрологической цепи передачи единиц измерений и решает одну из главных задач метрологии — обеспечение единства и требуемой точности измерений расхода. Это предполагает её применение в поверочных работах. Рассмотрим подробнее.

Цель поверки — заключается в установлении соответствия характеристик средства измерений регламентированным значениям и определении его пригодности к применению по назначению. Поверка является одной из форм государственного метрологического контроля и надзора. Она включает в себя необходимый набор требований и процедур, обеспечивающих метрологическую пригодность средств измерений.

Методы поверки

Для расходомеров применяются два метода поверки: метод непосредственного сличения и имитационный метод. Первый метод хорошо знаком многим: именно так проводят поверку квартирных водосчётчиков. При вызове специалист приходит с поверочной установкой, основанной на применении образцового счётчика. Он подключает установку к водопроводной сети и пропускает через неё и через проверяемый счётчик определённый объём воды. Затем специалист сравнивает показания обоих приборов и на основании результатов делает вывод о пригодности (или непригодности) водосчётчика для дальнейшего учёта потреблённой воды. Аналогичным образом осуществляется поверка средств измерений и на водопроливной поверочной установке.

Однако у метода сличения есть ограничения — он возможен только при соответствующих размерах проливной установки. Для крупных диаметров или нестандартных условий применяется имитационный метод поверки.

Имитационный метод поверки — это совокупность операций, выполняемых методом косвенных измерений в целях подтверждения соответствия средств измерений метрологическим требованиям, при которых не проводится непосредственного сличения средства измерений с эталоном измеряемой средством измерений единицы. При имитационном методе расход имитируется с помощью специального оборудования и программного обеспечения.

И хотя юридически оба метода равнозначны, понятно стремление людей убедиться в точности своих расходомеров путём непосредственного сличения их средств измерений с эталоном единицы величины.

Инженеры Взлет провели серию сравнительных проверок, в которых один и тот же расходомер проходил поверку как методом сличения, так и имитационным методом. По результатам опытов подтверждена высокая сходимость данных, полученных обоими способами. Это позволило распространить применение имитационной поверки на весь модельный ряд выпускаемых приборов и создать доказательную базу, подтверждающую достоверность метода.

Благодаря этим результатам расширены сценарии использования: теперь даже крупные расходомеры, установленные в действующих трубопроводах, могут проходить имитационную поверку с обоснованной уверенностью в точности.

Большие диаметры

Взлет ПУ расширила диапазон диаметров расходомеров, для которых доступна поверка методом непосредственного сличения. Особенно значимо это для больших диаметров, где ошибки измерений ведут к существенным финансовым потерям.

Теперь установка Взлет ПУ позволяет решать споры, связанные с работой расходомеров на трубопроводах больших диаметров.

Рис.7 Рабочий стол проливной установки с установленными приборами

Расширение диапазона диаметров расходомеров, для которых теперь доступна поверка методом непосредственного сличения, не означает отказ от имитационной поверки. Во многих случаях такой метод поверки остается единственно возможным. Например, ультразвуковые расходомеры могут использовать в качестве первичного преобразователя — измерительный участок, а могут участок действующего трубопровода, на котором производится монтаж акустических датчиков по месту расположения этого трубопровода. И, если в первом случае возможно применение обоих методов поверки (конечно, при наличии проливной установки требуемого диаметра), то во втором случае возможно применение только имитационного метода.

Взлет ПУ позволяет изучить особенности проведения имитационной поверки ультразвуковых расходомеров при их работе на трубопроводах больших диаметров и разрабатывать методики имитационной поверки, обеспечивающие обоснованную и экспериментально подтвержденную точность измерений. Это необходимо прежде всего производителям ультразвуковых расходомеров, как проявление профессиональной компетентности и ответственного отношения к своему делу.

Область гидродинамики

Всё вышесказанное — лишь одна сторона медали, связанная с наукой метрологией. Но есть и другая — область гидродинамики. Казалось бы, что в этой науке уже всё изучено и не осталось «белых пятен», однако это не так. Многие законы и зависимости в гидродинамике носят эмпирический характер и справедливы лишь в тех условиях, при которых были получены. А такие явления, как турбулентность, по-прежнему описываются множеством моделей — подобно тому, как в астрофизике «тёмную материю» пытаются объяснить на основе разных теорий. Пока не будут получены экспериментальные подтверждения какой-либо из них, эти явления останутся малоизученными.

Установка Взлет ПУ — это значимый вклад в развитие прикладной гидродинамики. Благодаря своим уникальным характеристикам она даёт возможность подтвердить справедливость ранее выявленных закономерностей, уточнить их применительно к новым условиям, а также открыть новые зависимости, недоступные прежним исследователям. Этот комплекс открывает дополнительные горизонты для научных и инженерных исследований в области потоков жидкостей и подтверждает статус компании как технологического лидера.

Приведенная аналогия с астрофизикой неслучайна. Большое количество открытий в этой области стало возможным благодаря огромным вложениям в создание уникальных приборов и установок. В этой связи также можно упомянуть и бозон Хиггса, для поисков которого было выделено значительное финансирование и построен Большой адронный коллайдер (БАК) — крупнейший в мире ускоритель частиц. Создание уникальных установок и измерительных комплексов — это финансово затратное, но благородное дело, которое позволяет человечеству приоткрыть завесу над тайнами окружающего мира. Взлет ПУ с её уникальными характеристиками — яркий пример такого процесса, естественно, на своём уровне и в своей области.