СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ТОЧНОСТИ ПРОВЕРКИ РАСХОДОМЕРА
METHOD OF INCREASING ACCURACY OF TESTING FLOW METRE

Изобретение относится к устройству проверки расходомера и к способу проверки расходомера на месте в реальных условиях его эксплуатации.
Устройство предназначено, главным образом, для использования при проверке массовых расходомеров, в частности массовых расходомеров, основанных на эффекте Кориолиса, но может быть использовано для проверки точности любого расходомера, способного измерять внутренние или внешние свойства жидкостей при его размещении в обслуживаемом месте протекания обычного потока жидкости. Такими измерительными устройствами являются, в том числе, денситометры, вискозиметры и объемные расходомеры, а также массовые расходомеры.
Массовые расходомеры, принцип действия которых основан на эффекте Кориолиса, являются известными и были описаны в многочисленных патентах, например в патентах США №4444059, №4491025 и №4422338, России RU 2262670, во всех из которых описаны массовые расходомеры с использованием вибрационных труб, создающих поддающиеся измерению эффекты Кориолиса, относящиеся к массовому расходу. В патенте США №4491009 описан вибрационный трубный денситометр, выполненный на основе конструкции массового расходомера, основанного на эффекте Кориолиса. Способность массовых расходомеров на основе эффекта Кориолиса измерять плотность позволяет определять объемный расход просто путем деления значения плотности на величину массового расхода. Также хорошо известно, что расходомеры на основе эффекта Кориолиса могут функционировать в качестве вискозиметров.
В настоящее время массовые расходомеры Кориолиса часто используют для контроля транспортировки и взыскания налоговых пошлин по результатам измерений для многих жидкостей различных типов, в частности сжиженного нефтяного газа (LPG) и других углеводородов. Для этих областей применения обычно установлено, что измерительное устройство должно иметь погрешность 0,5% или даже 0,1%, и необходимо выполнять периодическую проверку расходомера для подтверждения того, что измерительное устройство обеспечивает получение результатов измерения расхода жидкости в пределах точности измерительного устройства, указанной в техническом описании, а в противном случае требуется повторная установка калибровочного коэффициента измерительного устройства. Калибровочный коэффициент представляет собой коэффициент, используемый в измерительном устройстве для преобразования электронных сигналов, генерация которых осуществлена измерительным устройством, в непосредственные результаты измерения массы, объема или иного требуемого параметра.
Процесс проверки обычно влечет за собой выведение расходомера из эксплуатации для отправки его на испытательный стенд, на котором это измерительное устройство очищают, ремонтируют по мере необходимости и подвергают поверочным измерениям. Обычно при выполнении этих операций используют систему на основе гравиметрического дивертора, обеспечивающую протекание эталонной жидкости, внутренние или внешние свойства (например, температура, плотность, скорость и объем) которой являются точно известными, через поверяемое измерительное устройство. Поверяемое измерительное устройство выполняет измерения расхода жидкости, а результаты этих измерений подвергают перекрестной проверке с учетом известных свойств жидкости.
Однако использование систем на основе гравиметрического дивертора для поверки расходомеров представляет собой относительно трудоемкий и дорогостоящий способ, а сами системы занимают относительно большое пространство. Потери времени, пространства и денежных средств могут быть уменьшены за счет калибровки высокоточных измерительных устройств, то есть эталонных измерительных устройств, на соответствие гравиметрическим стандартам для последующего их использования при калибровке других поверяемых измерительных устройств. Для поверки эталонное измерительное устройство соединяют последовательно с поверяемым измерительным устройством и одновременно выполняют измерения расхода. Для получения или подтверждения калибровочного коэффициента расхода для испытываемого измерительного устройства результаты измерений, полученные посредством поверяемого измерительного устройства, используют при вычислениях совместно с данными измерений того же самого объема жидкости, полученными посредством эталонного измерительного устройства. В промышленности средств измерений обычно требуется, чтобы погрешность, получаемая на выходе эталонного измерительного устройства, была, по меньшей мере, в три раза меньшей, чем погрешность поверяемого измерительного устройства, указанная в техническом описании предприятия-изготовителя. Следовательно, для проверки и калибровки поверяемого измерительного устройства, имеющего согласно техническому описанию точность измерения расхода, равную 0,1%, необходимо эталонное измерительное устройство, имеющее точность, равную, по меньшей мере, 0,033%.
Как упомянуто выше, большинство используемых в настоящее время способов проверки содержит операцию извлечения поверяемого расходомера из трубопровода, в котором он работает. Однако существуют явные преимущества в том, чтобы проверку расходомера можно было производить на месте, поскольку этот способ автоматически обеспечивает компенсацию влияния рабочих условий, способных оказывать воздействие на точность и воспроизводимость результатов при эксплуатации расходомера, например механической нагрузки на измерительное устройство, конфигурации трубопровода, изменений расхода, изменений давления жидкости и температуры окружающей среды, а также состава жидкости. В одном из известных способов проверки на месте используют устройство, известное как "компактное проверочное устройство", но оно представляет собой устройство измерения объема, и для подтверждения результатов измерения массового расхода оно требует наличия дополнительного устройства, измеряющего плотность жидкости. К тому же это устройство является относительно большим и дорогостоящим.
Для проверки расходомера на месте в рабочих условиях предложено устройство, описанное в патенте RU 2262670.
В соответствии с данным патентом созданы изобретения, предназначенные для проверки любых расходомеров на месте в рабочих условиях эксплуатации. Поверочное устройство содержит два идентичных эталонных массовых расходомера на основе эффекта Кориолиса, последовательно соединенных друг с другом трубопроводом, средство управления и снабженные клапанами подводящий и возвратный трубопроводы, обеспечивающие соединение устройства с трубопроводом для жидкости, в котором размещен проверяемый расходомер. Средство управления в виде центрального процессора осуществляет прием и обработку сигналов, поступающих одновременно из трех указанных расходомеров, и выполнено с возможностью использования одного из эталонных расходомеров в качестве контрольного измерительного устройства для другого эталонного расходомера.
Данное изобретение является наиболее близким (прототипом), поэтому рассмотрим его более подробно. (Вся нумерация приведена в соответствии с Фиг.2.)
Если поверяемый рабочий расходомер имеет такую конфигурацию, которая обеспечивает измерение массового расхода, то в результате измерения с использованием эталонного измерительного устройства определяют коэффициент измерения массового расхода для рабочего расходомера 40 с использованием следующего уравнения:
MF=MF эталон М эталон/М расходомер,
где М эталон = масса, измеренная эталонными измерительными устройствами 3 и 5; а М расходомер = масса, измеренная поверяемым рабочим расходомером 65.
Массу, измеренную как эталонными измерительными устройствами 3 и 5, так и рабочим расходомером 65, определяют путем считывания импульсов, поступающих из передатчика измерительного устройства, и деления количества импульсов на коэффициент К измерительного устройства. Поскольку расходомеры на основе эффекта Кориолиса представляют собой устройства измерения расхода, обладающие очень высокой линейностью, то коэффициент измерительного устройства для эталонного измерительного устройства обычно не используют. Вместо этого калибровка эталонного измерительного устройства выполнена таким образом, чтобы обеспечить выходной сигнал с чрезвычайно высокой линейностью, обеспечивая как можно большую близость коэффициента измерительного устройства к величине, равной 1,0000, насколько это возможно.
Операцию проверки необходимо выполнять достаточно долго, во-первых, чтобы обеспечить накопление достаточно большого количества импульсов для минимизации погрешности при подсчете импульсов (обычно необходимо обеспечить накопление, как минимум, 10000 импульсов, поступающих из каждого измерительного устройства), а во-вторых, чтобы обеспечить воспроизводимость результатов, получаемых на выходе измерительных устройств. Продолжительность выполнения операции не должна быть меньшей, чем одна минута, но обычно достаточно, чтобы продолжительность выполнения операции составляла от одной до двух минут. В предпочтительном варианте необходимо выполнить, по меньшей мере, три отдельные операции проверки.
1
2
При операции поверки проверяемого рабочего расходомера его показания сравнивают с показаниями контрольного измерительного устройства, в результате чего получают значение MF=MFповеряемый/МFконтрольный, а показания эталонного измерительного устройства сравнивают с показаниями контрольного измерительного устройства, в результате чего получают значение MF=MFэталонный/МFконтрольный. Затем может быть вычислено сравнительное отношение показаний поверяемого измерительного устройства с эталонным измерительным устройством, в результате чего получают значение
3
1
2
MF=MF/MF=МFповеряемый/МFконтрольный.
2
3
В том случае, если произошло изменение коэффициента только одного из измерительных устройств, коэффициенты двух других измерительных устройств остаются неизменными (например, равными 1,0000). Следовательно, одно из значений MF-i, MF и MF также будет равным 1,0000.
1
2
3
Если MF=1,0000, то оба значения МFповеряемый и МFконтрольный равны 1,0000, и произошло изменение коэффициента эталонного измерительного устройства. Если MF=1,0000, то оба значения МFэталонный и МFконтрольный равны 1,0000, и произошло изменение коэффициента поверяемого измерительного устройства. Если MF=1,0000, то оба значения МFповеряемый и МFэталонный равны 1,0000, и произошло изменение коэффициента контрольного измерительного устройства.
A
B
C
Эти результаты сведены в приведенную ниже таблицу 1, в которой MF - коэффициент измерительного устройства для поверяемого рабочего расходомера, MF - коэффициент измерительного устройства для контрольного измерительного устройства и MF - коэффициент измерительного устройства для эталонного измерительного устройства.
Таблица 1
MF<sub>A</sub>
MF<sub>B</sub>
MF<sub>C</sub>
MF<sub>1</sub>=MF<sub>A</sub>/MF<sub>B</sub>
MF<sub>2</sub>=MF<sub>C</sub>/MF<sub>B</sub>
MF<sub>3</sub>=MF<sub>1</sub>/MF<sub>2</sub>
Регулировка
Изменение коэффициента измерительного устройства не произошло
1.0000
1.0000
1.0000
1.0000
1.0000
1.0000
Все в порядке
Произошло изменение коэффициента одного измерительного устройства
1.0015
1.0000
1.0000
1.0015
1.0000
1.0015
MF<sub>A</sub>=MF<sub>1</sub>=1,0015
1.0000
1.0015
1.0000
0,9985
0,9985
1.0000
MF<sub>B</sub>=1/MF<sub>1</sub>=1,0015
1.0000
1.0000
1.0015
1.0000
1.0015
0,9985
MF<sub>C</sub>=MF<sub>2</sub>=1,0015
0,9985
1.0000
1.0000
0,9985
1.0000
0,9985
MF<sub>A</sub>=MF<sub>1</sub>=0,9985
1.0000
0,9985
1.0000
1.0015
1.0015
1.0000
MF<sub>B</sub>=1/MF<sub>1</sub>=0,9985
1.0000
1.0000
0,9985
1.0000
0,9985
1.0015
MF<sub>C</sub>=MF<sub>2</sub>=0,9985
Рассмотренное устройство и способ проверки расходомера имеет ряд существенных недостатков.
Важно отметить, что проверка расходомера осуществляется на месте в рабочих условиях эксплуатации. Следовательно, заранее не известны ни качественные, а тем более количественные характеристики случайных воздействий на расходомер в данном конкретном месте, причем как механические воздействия (вибрация трубопровода), так и электрические помехи (качество электроэнергии). Отсутствует информация о наличии импульсных помех и их характеристиках и т.д. Это требует рассматривать процесс, в котором работает устройство проверки расходомера, как нестационарный. В этом случае обработку каждого результата измерения необходимо рассматривать как представленного единственной реализацией случайного нестационарного процесса при ограниченном объеме априорной информации. С этой точки зрения будем проводить анализ способа-прототипа.
1. С целью минимизации погрешности при подсчете импульсов и обеспечении воспроизводимости результатов, получаемых на выходе измерительных устройств, длительность каждой из нескольких проверок предлагается осуществлять длительностью от одной до двух минут. Достижение указанной цели, как минимум, предполагает, что стабильность параметров измеряемого потока вещества в течение указанных временных интервалов должна быть соответствующей. Понятно, что требовать от промышленной насосной установки такой стабильности по давлению и расходу (отсутствию пульсации указанных величин) невозможно, мы обязаны рассматривать поток вещества как нестационарный процесс. Поэтому воспроизводимость результатов измерений в данной ситуации обеспечить на данном уровне невозможно.
2. В операции поверки участвуют два, по существу, идентичных расходомера - эталонный и контрольный. Эти расходомеры откалиброваны на специальной установке с погрешностью в три раза меньшей, чем поверяемый расходомер. Поскольку это достаточно длительный и дорогостоящий процесс, цена таких расходомеров существенно выше, чем у поверяемого (примерно на десятичный порядок). Однако в процессе проверки участвуют только показания эталонного расходомера, а показания контрольного принимают участие только в операции определения достоверности показаний эталонного расходомера. Т.е. с помощью показаний контрольного расходомера принимается решение: можно или нет верить показаниям эталонного расходомера. Таким образом, два, по существу, идентичных расходомера работают, по существу, в идентичных условиях, и результат работы одного определяет достоверность работы другого. Такой подход противоречит не только общим положениям теории измерений, но и рассматриваемому патенту (см. соотношение погрешностей поверяемого и эталонного расходомеров). Аналогично, достоверность (точность) показаний контрольного расходомера должна быть существенно выше, чем у эталонного. Обеспечить заранее выполнение этого требования в условиях априорной неопределенности невозможно. Кроме того, если показания эталонного расходомера определены как недостоверные, то операция поверки повторяется. В этом случае проблемы, указанные в предыдущем пункте, усиливаются и, в принципе, может возникнуть не устанавливающийся процесс.
Рассмотрим процесс проверки более подробно. Предполагается при операции проверки сравнивать показания трех расходомеров - поверяемого, эталонного и контрольного. Далее по найденным отношениям соответствующих показаний судят о достоверности результатов данной операции. При этом предполагается, что в результате воздействия каких-либо неблагоприятных факторов произойдет изменение показаний только одного из трех расходомеров. Еще раз подчеркнем, что в соответствии с рассматриваемым патентом, контрольный и эталонный расходомеры, по существу, идентичны и работают в идентичных условиях, поскольку установлены на общем основании. В этих условиях любая помеха, например импульсная, приведет к идентичному изменению показаний расходомеров и определение достоверности результатов поверки станет невозможным. Эти результаты сведены в приведенную ниже таблицу, из которой видна справедливость вышесказанного утверждения.
MFA
MFB
MFC
MF<sub>1</sub>=MF<sub>A</sub>/MF<sub>B</sub>
MF<sub>2</sub>=MF<sub>C</sub>/MF<sub>B</sub>
MF<sub>3</sub>=MF<sub>1</sub>/MF<sub>2</sub>
Регулировка
Произошло изменение всех измеряемых устройств
1.0015
1.0015
1.0015
1.0000
1.0000
1.0000
Все в порядке
0,9985
0,9985
0,9985
1.0000
1.0000
1.0000
Особое внимание необходимо обратить именно на импульсные помехи, под которыми понимается, например, ударное механическое воздействие на трубопровод или импульсная помеха, проходящая по электропитанию и связанная с включением (выключением) силового оборудования данного предприятия. Воздействие таких помех приводит к появлению сильно искаженных результатов измерений. По различным оценкам результаты рабочих измерений в промышленных условиях могут содержать до 5-10% сильно искаженных (аномальных) данных. Следует ожидать, что при проведении проверочной операции с погрешностью в три раза меньшей, чем у поверяемого расходомера, количество аномальных результатов измерений возрастет. Даже если этого и не произойдет, опасность представляет каждый отдельный результат, поскольку его влияние может привести к ложным оценкам и, как следствие, к неоправданным экономическим потерям владельцев проверяемого расходомера.
Для защиты от аномальных результатов измерений применяют различные методы, например, с использованием критерия «три сигма» или ряд устойчивых алгоритмов робастных оценок, описанных в классических трудах Хубера, Граббса и т.д.
Однако решить задачу обнаружения аномалий заранее (аналитически) при априорной неопределенности и нестационарности анализируемого процесса просто невозможно. Для исключения априорной неопределенности требуется колоссальный объем соответствующе обработанных экспериментальных данных, для формирования которых порядок временных и экономических затрат во много раз превысит эффект от применения операции проверки расходомеров в рабочих условиях эксплуатации.
3. В соответствии с формой изобретения эталонный и контрольный расходомеры, смонтированные на общем основании, подсоединяют к трубопроводу в месте, расположенном выше или ниже по течению потока относительно расходомера, подвергаемого поверке. Собственно трубопровод подвергается вибрационному механическому воздействию со стороны определенного количества работающих установок данного предприятия. Это воздействие приводит к увеличению погрешности измерений. Подсоединение контрольного и эталонного расходомеров только с одной стороны равносильно определенному демпфированию вибраций именно с этой стороны. Следовательно, условия эксплуатации проверяемого расходомера и условия его проверки отличаются. В терминах метрологии такое отличие приведет к смещению оценок калибровочного коэффициента измерения массового расхода проверяемого расходомера, т.е. к снижению точности операции проверки.
4. В любом расходомере на основе эффекта Кориолиса осуществляют колебание расходомерной трубки на резонансной частоте. В силу различных причин, описанных во множестве патентов, узлы этого колебания перемещаются по конструкции расходомера. Таким образом, контрольный и эталонный расходомер, по существу, сами являются источником дополнительного вибрационного воздействия. Поскольку указанные расходомеры, по существу, идентичны, то их резонансные частоты также, по существу, равны. Следовательно, возникает взаимовлияние двух (или трех) устройств, работающих на одной резонансной частоте. С теоретической точки зрения такой режим приводит к дополнительной погрешности измерения. Результаты количественного анализа такого режима в данной предметной области нам не известны.
В свете вышесказанного целью настоящего изобретения является повышение точности проверки любых расходомеров на месте в рабочих условиях эксплуатации.
Указанная цель достигается тем, что в способе проверки расходомера на месте в трубопроводе в рабочих условиях с использованием массовых расходомеров на основе эффекта Кориолиса, откалиброванных до заранее заданной точности согласно техническим условиям, содержащем следующие операции, при которых обеспечивают последовательное протекание вещества, текущего по трубопроводу, через расходомер, подвергаемый проверке, и через массовые расходомеры с помощью подводящего и возвратного трубопроводов, подсоединенных к трубопроводу с противоположных сторон запорного клапана, закрывают запорный клапан, обеспечивая указанное последовательное протекание вещества, получают результаты измерений расхода вещества из каждого расходомера, используют N массовых расходомеров на основе эффекта Кориолиса, причем N не менее двух, предварительно совместно калибруют все N расходомеров на трубопроводе, обеспечивающем последовательное протекание вещества через все расходомеры, выполняют следующие операции, при которых подводящий и возвратный трубопроводы совместно с запорным клапаном присоединяют к трубопроводу в двух местах, расположенных выше и ниже по течению потока вещества относительно расходомера, подвергаемого проверке, делят N массовых расходомеров на две части, первую из которых располагают ниже, а вторую выше по течению относительно проверяемого расходомера, сравнивают расход, измеренный проверяемым расходомером с расходом, получаемым путем обработки результатов измерений всех N массовых расходомеров.
Ниже в качестве примера приведено описание одного из вариантов осуществления устройства проверки расходомера согласно изобретению со ссылкой на сопроводительные чертежи, на которых изображено следующее:
на Фиг.1 показан вид устройства в перспективе; а
на Фиг.2 показана схема устройства, подключенного к трубопроводу для проверки расходомера, работающего в трубопроводе.
Далее настоящее изобретение будет более подробно описано со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых показаны варианты осуществления изобретения. Специалистам в области техники, к которой относится изобретение, должно быть понятно, что изобретение может быть реализовано во многих различных формах и не должно толковаться как ограниченное вариантами осуществления, изложенными в данном описании. Точнее, эти варианты осуществления представлены так, что это раскрытие является глубоким и завершенным и полностью определяет объем изобретения для специалистов в области техники, к которой относится изобретение. На всех чертежах одинаковые номера относятся к аналогичным элементам. Кроме того, специалистам в области техники, к которой относится изобретение, должно быть понятно, что различные признаки, описанные ниже, могут сочетаться для образования многочисленных вариантов изобретения.
Вариант осуществления устройства проверки расходомера, показанного на Фиг.1, содержит опорное основание 1, на котором рядом друг с другом установлены два проверочных комплекса, состоящие из двух и более одинаковых эталонных массовых расходомеров 2, 3 (4, 5) на основе эффекта Кориолиса. Категория (номинальный диапазон измерений расхода) используемых расходомеров зависит от категории обслуживаемых расходомеров, проверку которых должно выполнять это устройство. В варианте осуществления, показанном на чертеже, каждый из расходомеров 2, 3 (4, 5) содержит датчик 33, 43 (38, 28) типа "ELITE (TM)" (например, модели CMF200, имеющий номинальный диапазон измерений расхода от 0 до 725 кг в минуту), производителем которого является фирма "Micro Motion Inc.", и передатчик 51, 49 (50, 48) (на Фиг.1 не показан), который в ответ на выходные сигналы, поступающие из датчика, передает результаты точного измерения массового расхода жидкости, протекающей через датчик. Передатчик, который может представлять собой передатчик типа "ELITE" модели RFT9739, производителем которого также является фирма "Micro Motion Inc.", может быть установлен непосредственно на кожухе датчика или может быть расположен отдельно для установки на расстоянии и соединен с датчиком надлежащими соединительными кабелями.
Устройство проверки на основе эффекта Кориолиса, содержащее два проверочных комплекса, состоящих из двух эталонных массовых расходомеров 4, 5 (2, 3), состоит из датчиков 31, 38 (33, 43) расходомера, имеющих входные отверстия 34, 44 (29, 39) для жидкости, расположенные на противоположных концах установочной штанги 36, 46 (31, 41) и две параллельные U-образные расходомерные трубки (на чертеже не показаны), которые расположены внутри защитного U-образного кожуха 37, 47 (32, 42) и через которые жидкость, поступающая во впускное отверстие 28, 39 и 34, 44, протекает к выпускному отверстию 35, 45 (30, 40). Внутри кожуха 37, 47 (32, 42) датчика каждого из расходомеров также расположены приводное устройство (на чертеже не показано), служащее для обеспечения вибрации расходомерных трубок на резонансной частоте в ответ на сигналы, полученные из передатчика, и датчики (на чертеже не показаны), которые, реагируя на вибрацию расходомерных трубок, подают выходные сигналы в передатчик.
На Фиг.1 также показано, что впускное отверстие 34 (29) для жидкости, имеющееся в первом датчике 33 (28) первого расходомера проверочного комплекса, соединено посредством фланцев, скрепляемых болтами, с трубопроводом 17 (6) для подачи жидкости, снабженным отсечным клапаном 18 (7) с ручным управлением и соединительным фланцем 19 (8), расположенным со стороны его впускного отверстия. Выпускное отверстие 35 (30) для жидкости, имеющееся в первом датчике расходомера первого проверочного комплекса 33 (28), соединено посредством фланцев, скрепляемых болтами, с одним из концов 8-образного промежуточного трубопровода 20 (9), другой конец которого соединен с впускным отверстием 44 (39) для жидкости, имеющимся во втором датчике 43 (38) расходомера, также посредством фланцев, скрепляемых болтами. Выпускное отверстие 45 (40) для жидкости, имеющееся во втором датчике 43 (38) расходомера первого проверочного комплекса, соединено посредством фланцев, скрепляемых болтами, с возвратным трубопроводом 21 (10), снабженным отсечным клапаном 22 (11) с ручным управлением и фланцевым соединением 23 (12) со стороны его выходного отверстия, расположенным на одном уровне с входным отверстием подводящего трубопровода 17 (6), находящимся немного выше опорного основания 1.
Эти два расходомера 4, 5 (2,3) установлены на опорном основании 1 посредством монтажных кронштейнов 24, 25 (13, 14), которые прикреплены посредством болтов или иным способом к основанию 1, причем кронштейн 24 (13) прикреплен к подводящему трубопроводу 17 (6), а кронштейн 25 (14) прикреплен как к промежуточному трубопроводу 20 (9), так и к возвратному трубопроводу 21 (10).
Устройство также содержит обычные датчики 26, 27 (15, 16) давления и температуры, установленные на промежуточном трубопроводе 20 (9), которые обеспечивают поступление информации о давлении к температуре жидкости, протекающей через устройство передатчики 49, 51 (50, 48) двух расходомеров 4, 5 (2, 3). В альтернативном варианте датчики 26, 27 (15, 16) давления и температуры могут быть установлены на возвратном трубопроводе 21 (10).
Устройство проверки из этого варианта осуществления изобретения может быть использовано для проверки находящихся в эксплуатации расходомеров, имеющих номинальный диапазон измерений расхода, по существу, совпадающий с диапазоном измерений (или находящийся в пределах диапазона измерений) каждого из расходомеров 4, 5 (2, 3) устройства (в данном варианте - от 0 до 725 кг в минуту). Поскольку рабочие расходомеры типа ELITE CFM 200 могут иметь точность плюс-минус 0,1%, то расходомеры 4 и 5 (2 и 3) устройства проверки должны представлять собой такие эталонные расходомеры, которые в предпочтительном варианте имеют точность, равную 0,03%, что определено согласно международному стандарту ISO 5168. Калибровка эталонных расходомеров может быть выполнена по системе гравиметрического дивертора, а уровень погрешности, равный 0,03%, означает, что показания эталонного расходомера соответствуют показаниям устройства калибровки с доверительной вероятностью, равной 95%.
Устройство проверки также содержит отдельное средство управления, представляющее собой центральный процессор или компьютер 63 (на Фиг.1 не показан), поддерживающий связь с передатчиками двух расходомеров этого устройства и с передатчиком рабочего расходомера, подвергаемого проверке.
На Фиг.2 изображена принципиальная схема, на которой показано то, каким образом осуществляют использование устройства проверки на месте для проверки расходомера 65 во время его работы в трубопроводе 52 для жидкости. Как показано на чертеже, впускные отверстия 19 и 8 и выпускные отверстия 12 и 23 устройства проверки соединены с ответвлениями 53, 54, 56, 58 трубопровода 52, расположенными ниже по течению потока, чем рабочий расходомер 65, и с противоположных сторон запорных и сливных клапанов 55, 57, расположенных в трубопроводе 52. Трубопровод также снабжен датчиками 59, 60 давления и температуры, расположенными рядом с рабочим расходомером 65 обслуживания и обеспечивающими поступление информации о температуре и давлении жидкости в передатчик 61 рабочего расходомера 65, и клапан 62 регулирования расхода, служащий для регулирования расхода жидкости, протекающей через трубопровод. Управляющий компьютер 63 устройства проверки соединен с передатчиком 61 рабочего расходомера 65, а также с передатчиками 49, 51 и 48, 50 двух проверочных эталонных комплексов расходомеров 2, 3 и 4, 5. Кроме того, управляющий компьютер 63 соединен с запорными и сливными клапанами 55, 57, с клапаном 62 регулирования расхода и с принтером или с иным устройством 64 вывода данных.
Для выполнения операции проверки рабочего расходомера 65 управляющий компьютер 63 осуществляет регулировку клапанов 62 регулирования расхода таким образом, чтобы расход жидкости, протекающей через рабочий расходомер 65, находился в пределах оптимального диапазона точности эталонных расходомеров 2, 3 и 4, 5 устройств проверки, а запорные и сливные клапаны 55, 57 закрывают. Одновременно с этим соединительные запорные клапаны 18, 22 и 7, 11 проверочного устройства открывают, что обеспечивает последовательное протекание жидкости, текущей по трубопроводу 52, через расходомеры 4, 5 первого устройства проверки до того, как она протечет через рабочий расходомер 65 и расходомеры 2, 3 второго устройства проверки после того, как она протекла через рабочий расходомер 65. Управляющий компьютер 63 осуществляет управление передатчиками 49, 51 и 48, 50, и 61 расходомеров 4, 5 первого устройства проверки и расходомеров 2, 3 второго устройства проверки, и рабочего расходомера 65 таким образом, что каждый из них осуществляет измерение расхода жидкости в один и тот же момент времени, и эту информацию о расходе подают в управляющий компьютер 63 для обработки.
Последовательность операций, на основе которых достигается поставленная цель, представлена ниже.
Аналогично способу-прототипу будем считать, что имеются массовые расходомеры на основе эффекта Кориолиса, откалиброванные до заранее заданной точности, в соответствии с метрологическими характеристиками проверяемого расходомера.
ш
г
ш
г
ш
г
В общем виде поток у(t) измерительной информации с каждого расходомера можно представить в виде суммы следующих составляющих: M(t) - функция полезного сигнала, массовый расход; М(t) - шумовая составляющая результатов измерений; M(t) - грубо искаженные результаты измерений. При проведении проверки расходомера на месте его эксплуатации, т.е. в условиях априорного отсутствия информации о характере измеряемого процесса и различного вида помех, необходимо считать, что Y(t)=M(t)+M(t)+M(t) представляет собой реализацию нестационарного случайного процесса. Естественно, что повышение точности проверки однозначно связано с минимизацией влияния на результат двух составляющих М(1) и M(t), причем на основе обработки результатов измерений, представленных единственной реализацией нестационарного процесса.
ш
j
i
Начнем с рассмотрения шумовой составляющей M(t). Для минимизации влияния этой составляющей используем наилучший в данных условиях способ сглаживания - усреднение по ансамблю реализаций y(t). С этой целью применяется N массовых расходомеров, т.е. , a i - номер реализации. Значение средней квадратической погрешности результатов измерений влияния шумов будет в  раз меньше по сравнению с применением одного массового расходомера. Значение N зависит от конкретных условий, поэтому заранее не может быть точно определено. Предпочтительно N будет равно 2 или 4, поскольку сложность и стоимость проверки возрастают прямопропорционально значению N, а достигаемый эффект только . Следовательно, необходимо обеспечить указанную наилучшую эффективность  операции усреднения. Таким образом устранен указанный недостаток нестационарности процесса.
ш
Это достигается только в том случае, когда результат измерений по отношению к M(t) является независимым. Другими словами, одновременно работающие N массовых расходомеров не влияют друг на друга в пределах заданной точности. С этой целью вводится операция предварительной совместной калибровки N расходомеров на специально созданном трубопроводе, обеспечивающем последовательное протекание вещества через все расходомеры, для этого впускные отверстия 19 и 8 и выпускные отверстия 12 и 23 устройства проверки соединены с ответвлениями 53, 54, 56, 58 трубопровода 52, расположенными ниже по течению потока, чем рабочий расходомер 65, и с противоположных сторон запорных и сливных клапанов 55, 57, расположенных в трубопроводе 52.
В процессе калибровки регулируют фазовые соотношения между колебаниями используемых режимов работы расходомеров до достижения минимальной погрешности. Например, расходомерные трубки всех расходомеров работают в первом внефазовом изгибающем режиме с определенной резонансной частотой, различные значения которой для каждого расходомера определяются производственными допусками, т.е. очень близки. Одновременно с этим режимом в кориолисовом расходомере возникают десятки других режимов. Даже в пределах относительно узкого диапазона частот вблизи первого внефазового изгибающего режима имеется, по меньшей мере, несколько дополнительных режимов колебаний, например, из-за наличия указанных производственных допусков. Более подробно можно посмотреть в патенте RU 2210745. В результате расходомеры будут влиять друг на друга. Для минимизации этого влияния осуществляется фазовой сдвиг между резонансными частотами, для того чтобы помехи, создаваемые расходомерами, были скомпенсированы.
Помехи, которые создает каждый расходомер во время работы, характеризуются тремя параметрами: частотой, амплитудой и фазой. Поскольку расходомеры идентичны и режим их работы также идентичен, то параметры помех также практически одинаковы. При этом фаза помех определяется фазой резонансной частоты. Следовательно, формируя различные фазы работы каждого расходомера можно минимизировать их взаимное влияние. Таким образом устранен указанный недостаток возникновения взаимовлияния двух (или трех) устройств, работающих на одной резонансной частоте.
В дополнение к множеству указанных режимов, возбуждаемых производным возбуждением расходомерных трубок, при осуществлении проверки расходомера в трубопроводе в рабочих условиях, могут быть режимы, возбуждаемые благодаря вибрации, внешней относительно расходомеров. Априорная информация о характеристиках внешних вибраций отсутствует. Для того чтобы уменьшить их влияние на результат проверки, применяемые N расходомеров делят на две части (предпочтительно равные) и располагают симметрично относительно проверяемого расходомера. Таким образом устранен указанный недостаток смещения оценок калибровочного коэффициента измерения массового расхода проверяемого расходомера.
г
При проверке, осуществляемой в рабочих условиях, в результатах измерений присутствует дополнительная составляющая M(t). Поэтому прежде чем осуществлять операцию усреднения по ансамблю, необходимо устранить грубо искаженные результаты измерений. Более подробно теоретическое обоснование нижеизложенной последовательности операций можно посмотреть в следующей литературе: Фомин А.Ф., Новоселов О.Н., Плющев А.В. «Отбраковка аномальных результатов измерений». - М.: Энергоатомиздат, 1985; Переверкин С.М. и др. «Бортовая телеметрическая аппаратура космических летательных аппаратов.» - М.: Машиностроение, 1977; Мрчук В.И. // Новые технологии управления движением технических объектов: Тез. докл. 3-й Международной научно-технической конференции - Ростов Н/д: Издательство СКНЦ ВШ 2000 - С/129.
j
i
1
n
1
n
1
2
к
1
2
к
j
i
j
i
j
i
1
n
Поток измерительной информации с каждого расходомера представляет собой дискретную последовательность отсчетов y(t), где  - номер расходомера,  - номер реализации. В каждой реализации имеется n отсчетов, среди которых присутствуют грубо искаженные. Далее временной отрезок [t, t] каждой реализации, содержащей n отсчетов, разбивают на интервалы случайной длины, точками, равномерно распределенными на всем временном отрезке [t, t]. Получим k отрезков случайной длины, на каждом из которых присутствует случайное количество отсчетов n, n…n, причем n+n+…+n=n. На каждом из k интервалов случайной длины проводится аппроксимация присутствующих отсчетов. Естественно, что аппроксимацию можно проводить различными методами. Например, использовать степенные полиномы с определением их коэффициентов методом наименьших квадратов, полиномы Чебышева, сплайны и т.д. В результате на каждом из интервалов получаем оценку  исходных данных y(t) и можем определить разность Δ(t) между оценкой и исходными данными. Разбивая исходную реализацию y(t) на временном отрезке [t, t] другими случайными числами, распределенными по равномерному закону и проводя аппроксимацию на каждом интервале случайной длины, получаем другую оценку исходной реализации и определяем соответствующую другую разность. Повторяя указанные действия L раз, получаем L разностей между оценками и исходными данными одной реализации результатов измерений. Для разностного процесса на каждом интервале случайной длины проводят ранжирование.
Можно предложить много вариантов ранжирования, отличающихся по критерию эффективность - объем вычислений. В качестве примера рассмотрим два варианта - наиболее простой и более эффективный. В первом варианте значения разностного процесса выстраивают по мере возрастания и устраняют из дальнейшей обработки крайние (несколько крайних) значения в соответствии с заданным уровнем значимости.
j
i
max
j
i
Во втором варианте на каждом интервале случайной длины для разностного процесса Δ(t) определяется максимальное значение y и устанавливается некоторый порог αутах в соответствии с заданным уровнем значимости α, где 0<α≤1. Каждому значению разностного процесса Δ(t), превысившему пороговое значение, присваивается определенный вес, например 1. Данная процедура повторяется для всех L разностных процессов. При этом происходит накопление значений весов и строится их плотность распределения. Для заданного уровня значимости по плотности распределения весов определяют, какие из измерений необходимо устранить из дальнейшей обработки. Эффективность данного варианта более, чем на порядок выше, чем у первого.
j
i
1
n
Далее полученные L оценок исходной реализации y(t), в каждой из которых отсутствуют грубо искаженные результаты измерений, усредняются. В результате у каждого расходомера, в том числе и проверяемого, на каждом отрезке [t, t] значение средней квадратической погрешности будет в  раз меньше, чем при исходной реализации, а значение средней квадратической погрешности результатов измерений N расходомеров будет уже в  раз меньше.
Конкретные значения используемых величин в условиях отсутствия опорных данных о характере измеряемого процесса не могут быть точно определены.
Можно только привести результаты имитационного моделирования. Для десяти реализаций (n=10), в каждой из которых n=100 отсчетам гауссова шума, содержащих 10 грубо искаженных результатов, при L=3…5 и k=7…10 интервалов случайной длины, вероятность правильного обнаружения грубо искаженных результатов составила не менее 0,95.
Таким образом, устранен указанный недостаток воздействия импульсных помех, приводящих к появлению сильно искаженных результатов измерений.