Калибровка по воздуху фиксирует поведение ультразвукового газового счётчика в воздушной среде. В исследовании двух счётчиков G4 эта базовая линия сравнивалась с измерениями в четырёх газовых смесях при совпадающих точках расхода. Два результата служат разным целям: погрешность показаний относительно эталона и изменение этой погрешности относительно базовой линии по воздуху. Для одного образца при максимальном расходе смесь с 23% водорода дала заявленную погрешность показаний −1,05%, тогда как поточечное изменение относительно воздуха составило −1,59 процентных пункта. В этой статье объясняются обе величины, условия исследования, стоящие за ними, и информация, необходимая покупателю для оценки того, применима ли калибровка к предполагаемому газу.

Газовое хозяйство может получать газ из источников с различным составом на протяжении срока службы ультразвукового газового счетчика. Сертификат калибровки по воздуху полезен для фиксации эталонных характеристик счетчика в одних условиях испытаний. Рецензенту также необходимо знать, как тот же счетчик показывает результаты при изменении состава газа. Ши, Чжан и Сун исследовали этот вопрос с помощью эталонной системы на реальном газе и двух отечественных счетчиков G4 [1]. Их испытание допускает два сравнения при одном и том же расходе. Первое сравнивает показания счетчика с фактическим эталонным объемом в выбранной среде. Второе показывает, насколько результат в этой среде отличается от результата в воздухе.

Это различие важно, когда сама базовая линия по воздуху отличается от нуля. Малая абсолютная погрешность при работе на целевом газе может сочетаться с более значительным смещением относительно воздуха. Полезный протокол испытаний содержит достаточно информации, чтобы увидеть оба результата и определить, соответствуют ли среда и условия эксплуатации области применения.

В упрощённом описании источника пара преобразователей измеряет время прохождения акустического сигнала по потоку и против потока. L — длина акустического пути, cf — скорость звука в газе, θ — угол между акустическим путём и осью трубы, а vm — средняя скорость вдоль измерительной линии, как определено в статье.

S — площадь поперечного сечения в м², а vm — в м/с, поэтому q при указанном соотношении выражается в м³/ч. Разность обратных времён сокращает cf в идеализированных уравнениях, когда одна и та же скорость звука относится к обоим направлениям. Результат объясняет принцип измерения. Оценка готового расходомера также включает преобразователи, синхронизацию сигналов и геометрию потока расходомера, поэтому одно уравнение не может установить погрешность, получаемую с другим газом.

Рисунок 1. Геометрия времяпролётного метода, перерисовано на английском по Shi, Zhang and Song [1], Figure 1 (PDF p. 2, print p. 255). Диаграмма не в масштабе.

Авторы испытали по одному счётчику G4 от каждого из двух производителей. Эталонная система имела заявленный стандартный объём 120 л. Заявленная расширенная неопределённость для системы составляла 0,25% при k = 2. Заявленные условия испытаний были 101 кПа и 20 °C. Разница температур между соответствующими местами и средой поддерживалась в пределах 1 °C согласно описанию испытаний. Каждая среда испытывалась при 0,1qmax, 0,2qmax, 0,4qmax, 0,7qmax и qmax.

Средами были воздух и четыре газовые смеси. В исследовании смесь с 23% водорода и 77% метана была явно отнесена за пределы предполагаемого диапазона испытуемых счётчиков. Эта смесь является исследовательским случаем. Результаты её испытаний помогают объяснить различие между заявленными величинами, тогда как одобрение для коммерческого применения требует доказательств для такой конфигурации и газа.

Для каждого случая авторы сообщили процентную погрешность показаний, используя указанный объём Vi и фактический эталонный объём Vref.

E = [(Vi − Vref) / Vref] × 100% (3-1)

В таблице сохранены указанные погрешности показаний. Каждое показание уже сравнивает указанный объём с эталонным значением в данных условиях испытания.

Для счетчика 1 при 0,2qmax воздух дал погрешность −0,01%, а смесь с 23% водорода дала +1,71%. Разница составляет +1,72 процентных пункта. Счетчик 2 при qmax показывает другую картину. Его погрешность на водородной смеси составила −1,05%, тогда как значение на воздухе было +0,54%. Вычитание результата на воздухе дает −1,59 процентных пункта. Этот расчет показывает, как результаты по разные стороны от нуля могут сделать сдвиг больше абсолютной погрешности в применяемом газе. Счетчик 2 при 0,7qmax дает еще один пример: −0,97% на смеси и +0,71% на воздухе, сдвиг составляет −1,68 процентных пункта.

Смеси, богатые метаном, также стоит сохранить в таблице. При 0.4qmax измеритель 1 показывает +0.80% в случае 99.9% метана, тогда как измеритель 2 показывает +0.16%. Соответствующие значения для воздуха составляют +0.05% и +0.73%. В результате изменения происходят в противоположных направлениях. Если рассматривать результат как единую зависящую от состава поправку, общую для обоих образцов, это различие будет скрыто.

В источнике рисунок 3 называется «максимальным смещением среднего значения ошибки». Кривые согласуются, с точностью до разрешения опубликованных графиков, со знаковой ошибкой газа минус ошибка воздуха для одного и того же счётчика и точки расхода в таблицах 2 и 3. В статье не приводится отдельного уравнения или данных повторных измерений о том, как были получены среднее или максимум. Поэтому на перерисовке расчёт обозначен как поточечная разность. В отчёте о приёмке следует указать процедуру усреднения и применимые диапазоны расхода.

Рисунок 2. Погрешности показаний счётчиков G4 № 1 и № 2. Перерисовка английских данных из исходного рисунка 2(a–b) с использованием приведённых в работе Shi, Zhang and Song [1], таблицы 2–3 (PDF с. 3, печатная с. 256).

Рисунок 3. Различия между воздухом и газом для счётчиков G4 1 и 2. Английский аналог исходного рисунка 3(a–b) (PDF стр. 4, печатная стр. 257). Кривые представляют собой поточечные разности, пересчитанные по таблицам 2–3, в процентных пунктах. Нанесённые значения совпадают с точностью считывания графика с этим расчётом. Авторы называют график «максимальное смещение среднего значения ошибки» и не описывают отдельную процедуру усреднения или максимизации.

Сравнение показывает, почему в квалификационном отчёте следует сохранять как абсолютные погрешности показаний, так и изменения относительно воздушной базовой линии. Покупатель, сравнивающий варианты, может запросить составы газов, варианты исполнения счётчиков, точки расхода, условия давления и температуры, а также неопределённость, связанную с измерениями. В исследовании использовались два образца и один заявленный режим давления и температуры. Дальнейшая работа могла бы воспроизвести сравнение на нескольких экземплярах каждой конструкции, а также в пределах фактического состава и температурного диапазона в условиях эксплуатации. Исходные повторные показания помогли бы отличить систематические сдвиги от разброса.

qmax означает максимальный расход. Поточечное смещение выражается в процентных пунктах и рассчитывается здесь как погрешность показаний газовой среды минус погрешность показаний воздуха для одного и того же счётчика и точки расхода. Исходный эксперимент и результаты относятся к описанным испытуемым образцам. Стандарт, на который ссылаются в статье, описывает исходную процедуру.

[1] Shi, A., Zhang, J., and Song, S. (2021). «气体组分变化对超声波燃气表计量特性影响的试验与分析» [Экспериментальный анализ влияния состава газа на метрологические характеристики ультразвукового газового счётчика]. 城市燃气, 2021 supplement, pp. 254–257. Уравнения (2-1)–(2-4) и (3-1), таблицы 2–3 и рисунки 1–3. Рисунок 1 — перерисованная английская схема. Рисунки 2–3 используют приведённые значения в таблицах 2–3 с поточечным преобразованием, указанным на рисунке 3.

Титульное фото: National Institute of Standards and Technology Digital Collections, Gaithersburg, MD 20899. Инженер NIST Роберт Палла проверяет испытательную сушилку. Работа правительства США, Public Domain Mark 1.0 согласно записи источника. Редакционная обрезка фото и макет заголовка. https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Engineer_Robert_Palla_of_the_Advanced_Measurement_Technology_Section_checking_one_of_the_test_dryers.jpg