background image

 

INSTYTUT METROLOGII I INŻYNIERII BIOMEDYCZNEJ 

Politechniki Warszawskiej 

 
 
 
 
 

Laboratorium Podstaw Metrologii 

 
 

Semestr I 

 
 
 
 
 
 
 
 
 

Ć

wiczenie nr 3 

 
 

Eliminacja błędów dodatkowych przyrządu na przykładzie 

korektora wskazań gazomierza 

 
 
 
 
 
 
 
 
 

 
 
 
 
 
 
 

Warszawa 

background image

 

Eliminacja błędów dodatkowych na przykładzie korektora wskazań gazomierza 

 
 Opracował: prof. nzw. dr hab. inż. Mateusz Turkowski 

 

1. Cel ćwiczenia 
     Celem  ćwiczenia  jest  zapoznanie  się  z  układem  do  eliminacji  błędów  dodatkowych  o 
znanym,  dającym się opisać matematycznie charakterze. Badany układ to korektor wskazań 
gazomierza  wyposażonego  w  wyjście  impulsowe,  będący  w  istocie  wyspecjalizowanym 
mikrokomputerem  wyposażonym  w  czujniki  i  przetworniki  pomiarowe.  W  trakcie  badań 
wykonujący ćwiczenie zapoznają się także z metodyką sprawdzania przetworników ciśnienia 
i temperatury, będących elementami korektora. 

 

 
2. Wprowadzenie teoretyczne 
Do  pomiarów  rozliczeniowych  gazu  dostarczanego  dużym  odbiorcom  stosuje  się  zwykle 
gazomierze,  których  sygnał  wyjściowy  ma  charakter  częstotliwościowy.  Może  to  być  
częstotliwość  odrywania    się    wirów    od    odpowiednio  ukształtowanego  elementu,  prędkość 
obrotowa turbiny lub rotorów obracających się pod wpływem przepływającego gazu itp. 
     We  wszystkich  tych  przypadkach  uzyskuje  się  ciąg  impulsów,  których  częstotliwość  jest 
proporcjonalna  do  strumienia  objętości,  a  każdemu  impulsowi  można  przypisać  określoną,  
elementarna  objętość.  Po  odpowiednim  przetworzeniu  można  uzyskać  sygnał,  w  którym 
jednemu  impulsowi  będzie  odpowiadać  jednostka  objętości  lub  jej  dziesiętna  wielo-  lub 
podwielokrotność, np. 1 m

3

, 1 dm

3

, 10 m

3

 , 0.1 m

3

 itp. W przypadku gazomierza turbinowego 

czy  rotorowego  można  to  uzyskać  dobierając  przełożenie  przekładni  zębatej  miedzy  turbiną 
(rotorami) a nadajnikiem impulsów, można też zastosować dzielnik elektroniczny. 
     Wskazania  większości  gazomierzy  dotyczą  jednak  zwykle  objętości  w  warunkach 
pomiaru, objętość ta zależy od wielkości wpływających - ciśnienia i temperatury. Gazomierz 
wskaże  więc  przykładowo  tą  samą  wartość  objętości  po  przepłynięciu  jednego  m

3

  zarówno 

przy ciśnieniu atmosferycznym jak i przy  ciśnieniu np. 50 bar, podczas gdy w rzeczywistości 
ilość  gazu  (jego  masa  lub  objętość  sprowadzona  do  warunków  normalnych)  w  drugim 
przypadku  będzie  kilkadziesiąt  razy  większa.  Podobnie  będzie  przy  zmianach  temperatury. 
Dlatego  też  podstawą  rozliczeń  między  dostawcą  a  odbiorcą  gazu  jest  objętość  w  metrach 
sześciennych,  sprowadzona  do  warunków  normalnych  lub  innych  tzw.  warunkach 
odniesienia, czasem zwanych warunkami umownymi. Są to warunki przewidziane dla danego 
przyrządu,  dla  których  przyrząd  został  skonstruowany,  wywzorcowany,  i  w  których 
występują jedynie tzw. błędy lub niepewności podstawowe. Często (chociaż nie zawsze) jako 
warunki odniesienia przyjmuje się warunki normalne: 

 

     - ciśnienie normalne p

n

  = 101.325 kPa 

     - temperatura normalna T

n

 = 0 

°

C lub T

n

  = 273.15 K    

 

     Związek  miedzy  objętością  w  warunkach  pomiaru  V  a  objętością    w  warunkach 
normalnych V

n

  można wyprowadzić z równania stanu gazu.  Ma on postać: 

 

 

TZ

p

Z

pT

V

V

n

n

n

n

=

  

 

 

 

 

(1) 

 
gdzie p - ciśnienie bezwzględne, T - temperatura bezwzględna,  Z - współczynnik ściśliwości. 
Brak indeksu oznacza rzeczywiste warunki pomiaru, indeks n - warunki normalne.  

 
 
 

background image

 

Czasem  stosuje  się  pojęcie  względnego  współczynnika  ściśliwości  K=Z/Z

n

.  Wzór  (1) 

przybierze wówczas postać 

 

TK

p

pT

V

V

n

n

n

=

  

 

 

 

 

 (2)

 

 

 
    W miejsce temperatury bezwzględnej T można podstawić wartość liczbowa temperatury w 
stopniach Celsjusza t plus 273.15, tj.  

 

 
    T = (t + 273.15) K 
 
    Współczynnik  ściśliwości  uwzględnia  odchylenie  właściwości  gazu  rzeczywistego  od 
właściwości  gazu  doskonałego,  a  więc  m.  in.  skończony  (niezerowy)  wymiar  cząstek 
składników gazu. 
     Wzór (1) bywa przedstawiany w innej postaci: 
 

V

n

 = CV, 

 
 

Gdzie 

 

TZ

p

Z

pT

C

n

n

n

=

  

 

 

 

 

(3) 

 

Stała C  nazywana  jest  współczynnikiem  korekcyjnym.  Jeszcze dzisiaj często, zwłaszcza 

gdy  w  grę  wchodzą  małe  pobory  gazu  dla  odbiorców  indywidualnych  (mieszkania,  domy 
jednorodzinne)  przyjmuje  się  stałą  wartość  współczynnika  korekcyjnego,  opartą  na 
uśrednionych,  wartościach  ciśnienia  i  temperatury  odniesienia.  Jeśli  więc  w  danej  chwili 
temperatura  czy  ciśnienie  nie  są  równe  umownym  wartościom  odniesienia,  mamy  do 
czynienia  z  błędami  dodatkowymi,  spowodowanymi  rozbieżnością  między  warunkami 
odniesienia a rzeczywistymi warunkami pracy gazomierza. Nie pociąga to za sobą znacznych 
błędów,  gdyż  odbiorcy  indywidualni  odbierają  gaz  pod  niskim,  stabilnym  ciśnieniem. 
Sezonowe wahania temperatury natomiast uśredniają się w dłuższym okresie rozliczeniowym.  

Im  bardziej  jednak  warunki  rzeczywiste  pomiaru  (ciśnienie  i  temperatura)  odbiegają  od 

przyjętych  warunków    odniesienia,    tym  bardziej  rzeczywisty  współczynnik  korekcyjny 
będzie się różnił od uśrednionego, przyjętego do  obliczeń. Towarzyszyć będzie temu wzrost 
błędu  dodatkowego,  spowodowanego  odchyleniami  warunków  rzeczywistych  od  przyjętych 
warunków odniesienia. 
     Urynkowienie  i  wzrost  cen  gazu  spowodowały,  że  metoda  polegająca  na  przyjęciu  stałej 
wartości  współczynnika  korekcyjnego  jest  obecnie  zbyt  mało  dokładna,  zwłaszcza  w 
przypadku    dużych  odbiorców  gazu,  gdy  nawet  niewielkie  błędy  wynikające  z  odchyleń  od 
przyjętych  warunków  odniesienia  powodują  straty  dużych  kwot  dla  jednej  ze  stron  (i 
oczywiście  nieuzasadnione  zyski  drugiej  strony).  Dlatego  też  obecnie  dla  odbiorców  tych 
zawsze  stosuje  się  automatyczną  korekcję  wpływu  rzeczywistych  warunków  pracy  i 
sprowadzanie  wskazań  gazomierza  do  warunków  normalnych  na  bieżąco,  za  pomocą 
elektronicznego korektora. 
 
 

 

background image

 

2.1 Budowa i działanie korektorów wskazań gazomierzy 
     Budowę  korektora  wskazań  gazomierzy  przedstawiono  schematycznie  na  rys.  1  i  2. 
Korektor otrzymuje trzy rodzaje informacji.  

Pierwsza  to  informacja  o  objętości  w  postaci  impulsów  z  gazomierza,  każdemu  z  nich 

odpowiada "okrągła" wartość objętości, zwykle 0.1, 1 lub 10 m

3

.  

     Kolejna  informacja  to  ciśnienie  gazu.  Ciśnienie  rurką  impulsowa  przekazywane  jest  z 
rurociągu  do  przetwornika  ciśnienia  (P/U)  zabudowanego  wewnątrz  obudowy  korektora. 
Przetwarza  on    ciśnienie  na  proporcjonalne  do  niego  napięcie.  Fizycznie  element  ten  to 
odpowiednio  ukształtowany  element  krzemowy  z  wdyfundowanymi  czujnikami  naprężeń 
(tensometrami). 
 Informacja  o  temperaturze  jest  uzyskiwana  z  czujnika  temperatury  zamontowanego  w 
rurocią-gu.  W  tym  celu  stosuje  się  czujnik  półprzewodnikowy  lub  platynowy  czujnik 
rezystancyjny Pt 100, Pt500 lub Pt 1000 (o rezystancji odpowiednio 100 

,  500 

,  lub 1000 

,    przy  temperaturze  0 

°

C;  zmiany  rezystancji  niosą  informację  o  zmianach  temperatury). 

Informacje  o  ciśnieniu  i  temperaturze  po  wzmocnieniu  i  przetworzeniu  zamieniane  są  na 
informacje w postaci cyfrowej za pomocą przetwornika analogowo – cyfrowego (posiada on 
niezależne wejścia dla sygnału ciśnienia i temperatury).  

 

 

Rys. 1.Schemat blokowy jednego z rozwiązań korektorów 

 

background image

 

 

 

Rys. 2. Schemat blokowy układu pomiarowego korektora 

      
     Przez  większość  czasu  korektor  znajduje  się  w  stanie  "uśpienia",  dzięki  czemu  zużywa 
bardzo  mało  energii,  możliwe  jest  więc  jego  zasilanie  bateryjne.  Dopiero  po  nadejściu 
impulsu  z    gazomierza  korektor  dokonuje  pomiaru  ciśnienia  i  temperatury  i  wykonuje 
obliczenia  współczynnika  korekcyjnego  C  (wg  wzoru  2),  po  czym  zwiększa  wskazanie 
licznika objętości niekorygowanej  V   o  odpowiednią  wartość (zależnie  od wagi impulsu z 
gazomierza, np. 0.1 m

3

), a wskazanie licznika objętości w warunkach normalnych V

n

  - o  tą  

wartość pomnożoną przez obliczony współczynnik korekcyjny C
     Korektor może być wyposażony w szereg wyjść dodatkowych, np. wyjście impulsowe do 
sterowania licznika zewnętrznego,  alarmy przekroczenia dopuszczalnych  ciśnień, temperatur 
czy przepływów,  interfejs do komunikacji z komputerem (np. RS232, USB) itp. 

 

 
2.2. Wyznaczanie współczynnika ściśliwości 
     Z  punktu  widzenia  cyklu  obliczeniowego  najtrudniejsze  jest  wyznaczenie  współczynnika 
ś

ciśliwości.  Istnieją  co  prawda  obszerne  wyniki  badań  współczynnika  ściśliwości  w  funkcji  

ciśnienia  i  temperatury  dla  gazów  o  różnym  składzie  i  wydawałoby  się  najprostsze 
wprowadzenie  ich  do  pamięci  korektora  w  postaci  tablicy.  Byłaby  ona  jednak  prawdziwa 
tylko  dla  jednego  gazu  o    określonym  składzie.  Skład  ten,  np.  dla  gazu  ziemnego  zależy  od 
ź

ródła gazu, może też zmieniać się w funkcji czasu.  

Dużą  trudność  powoduje  fakt,  że  conajmniej  kilkanaście  składników  gazu  ziemnego  lub 

produkowanego  z  węgla  wpływa  na  współczynnik  ściśliwości  (CH

4

  i  wyższe  węglowodory, 

CO, CO

2

 , N

2

, H

2

 itp.). 

     Istnieje  wiele procedur obliczeniowych dla wyznaczenia współczynnika ściśliwości gazu. 
Podstawą  ich  stosowania  jest  znajomość  zawartości  metanu,  azotu  i  dwutlenku  węgla  oraz 
gęstości    gazu.  Niektóre  procedury  uwzględniają  jeszcze  ciepło  spalania.  Umożliwia  to 
uwzględnienie  wpływu  wyższych niż metan węglowodorów na współczynnik ściśliwości,  a 
wyniki są dokładniejsze. 
     Można wykazać, że dla ciśnień do 200 kPa przyjęcie współczynników ściśliwości Z = Z

n

 

=  1  daje  pomijalne  błędy  (pomijalne  w  porównaniu  z  błędami  samego  gazomierza).  Dla 
ciśnień  w    zakresie  do  kilkuset  kPa,  zwłaszcza  gdy  ciśnienie  nie  zmienia  się  w  szerokich 
granicach,  można  przyjąć  stosunek  Z/Z

n

  jako  wartość  stałą  (trzeba  ją  wówczas  wyliczyć  dla 

ś

redniego ciśnienia i średniej temperatury gazu). 

background image

 

     Dla  ciśnień  wysokich  wartość  Z  odbiega  jednak  znacznie  od  jedności,  np.  dla  gazu  
wysokometanowego dla ciśnienia 6 MPa i temperatury 0 

°

C wynosi ona  ok.  0.86 (tak więc 

przyjęcie wartości Z = 1 spowodowałoby błąd rzędu 14 %) i silnie zmienia się z ciśnieniem i 
temperaturą. 
     W  Europie  do  obliczeń  współczynnika  ściśliwości  stosuje  się  obecnie  procedurę  SGERG 
(Groupe  Européen  des  Récherches  Gasieres),  natomiast  w  USA  i  Kanadzie  procedurę  AGA 
NX 19 (AGA - American Gas Association). 

 

 
3. Opis stanowiska
 

W  celu  wykonania  badań  czujnik  ciśnienia  korektora  został  podłączony  do  manometru 

obciążnikowo  –  tłokowego,  umożliwiającego  zadawanie  z  wysoką  dokładnością  wartości 
ciśnień    zgodnie  z  definicją  ciśnienia  za  pomocą  tłoka  o  znanej  powierzchni  obciążonego 
obciążnikami o znanej masie (tzw. podstawowa lub bezwzględna metoda pomiarowa).  
     Czujnik  temperatury  umieszcza  się  w  termostacie,  który  umożliwia  zadawanie  i  pomiar 
określonych wartości temperatury. 

 

 
4. Wykonanie ćwiczenia 

Badanie  polega  na  zadaniu  przy  stałym  ciśnieniu  kilku  wartości  temperatury,  a  następnie 

przy    stałej    temperaturze  -  kilku  wartości  ciśnienia  w  cyklu  rosnącym  a  następnie  przy 
zmniejszaniu jego wartości  (w ten sposób można wychwycić zjawisko histerezy). 
     Dla każdego zestawu wartości ciśnienia i temperatury należy odczytać wartość ciśnienia i 
temperatury  zmierzoną  przez  korektor  oraz  wyliczony  przez  korektor  współczynnik 
korekcyjny. 
Wielkości  te można wywołać na wyświetlacz w zależności od budowy korektora  wciskając 
kolejno  przycisk  "display"  lub  z  klawiatury,  zwykle  można  też  odczytać  wszystkie  istotne 
informacje za pomocą komputera przy zastosowaniu odpowiedniego interfejsu. 
     Ostatnia  czynność  to  sprawdzenie  poprawności  zliczania  objętości  przez  korektor.  Po 
zadaniu  wybranych, średnich wartości ciśnienia i temperatury należy zadać określoną liczbę 
impulsów, wymuszając przepływ przez podłączony do korektora gazomierz.  Należy dokonać 
odczytu  stanu  liczników  objętości  nieskorygowanej  i  objętości  sprowadzonej  do  warunków 
normalnych przed i po zadaniu impulsów.  

 

 
5. Opracowanie wyników pomiarów 

W  trakcie  ćwiczenia  wykonuje  sie  jedynie  badania  podstawowe,  takie  jak  podczas 

rutynowego  sprawdzania  każdego  korektora  w  trakcie  produkcji.  Badania  pełne  obejmują 
dodatkowo  badania  klimatyczne,  odporności  mechanicznej  (drgania,  udary)  odporności  na 
różnego  rodzaju  narażenia  elektryczne,  elektromagnetyczne  i  wyładowania  elektrostatyczne 
(kompatybilność elektromagnetyczna).  
     Dla  zadawanych  w  trakcie  ćwiczenia  wartości    ciśnień    i    temperatur  należy  obliczyć 
wartość  poprawną  współczynnika  korekcyjnego  C

p

  wg  wzoru  (3).  Należy  skorzystać  z 

odpowiedniego    programu    komputerowego  do  wyznaczenia  poprawnej  wartości 
współczynnika  ściśliwości  wg  tej  samej  procedury,  na  której  bazuje  korektor  (informacja  o 
procedurze podana jest na tabliczce znamionowej korektora). 
     Następnie  należy obliczyć błąd wyznaczenia współczynnika korekcyjnego przez korektor 
z wzoru: 
 

(%)

100

=

p

p

C

C

C

C

e

  

 

 

 

(4) 

background image

 

gdzie  C  -  współczynnik  korekcyjny  wyznaczony  przez  korektor.  Wyniki  obliczeń  zamieścić 
w protokółach pomiaru. 
     Poprawność  zliczania  objętości  można  sprawdzić  porównując  przyrost  wskazań  licznika 
objętości  niekorygowanej 

V  z  przyrostem  wskazań  licznika  objętości  sprowadzonej  do 

warunków  normalnych 

V

n

.  Błąd wyznacza się z wzoru 

 

(%)

100

,

=

V

C

V

C

V

e

p

p

n

n

V

  

 

 

 

(5)

 

 
 
6. Treść sprawozdania 
W sprawozdaniu należy podać: 
   - schemat stanowiska 
   - protokóły pomiarów z wynikami obliczeń 

- wnioski 

     We wnioskach uwzględnić,  że  zgodnie  z  wymaganiami  przepisów metrologicznych: 

-

 

całkowity  błąd  korekcji (czyli wyznaczenia współczynnika korekcyjnego) nie  
powinien  przekraczać 0.5%, 

-

 

maksymalny błąd pomiaru temperatury nie powinien przekraczać 0.1%, 

-

 

maksymalny błąd pomiaru ciśnienia nie powinien przekraczać 0.2%. 

 
7. Zasady opracowywania oraz kryteria oceny sprawozdań z ćwiczeń laboratoryjnych 
wykonywanych w Laboratorium Przepływów  

 

Zasady ogólne 

Należy  przestrzegać  zapisów  instrukcji  do  ćwiczeń.  W  każdej  instrukcji  (zwykle  w 

końcowej części) podano, co ma zawierać sprawozdanie. Poniżej podano bliższą interpretację 
poszczególnych pozycji sprawozdania. Interpretacja ta jest podstawą do oceny sprawozdania. 

 

Opis przeprowadzonych badań (przebieg ćwiczenia) oraz schemat stanowiska 

Te dwa punkty sprawozdania łącznie powinny być opracowane tak, aby na ich podstawie 

eksperyment  będący  przedmiotem  ćwiczenia  można  było  odtworzyć  w  dowolnym  innym 
laboratorium na świecie.  

Zdarzały  się  przypadki,  że  odkrycia  warte  nagrody  Nobla  (np.  wykrycie  antygrawitacji) 

wskutek złego udokumentowania nie mogły być zweryfikowane w innych laboratoriach, a w 
takich przypadkach wyniki badań uznaje się za niewiarygodne. Podczas pracy w laboratorium 
należy  więc  opanować  zasady  właściwego  opracowywania  wyników  badań.  Jest  to  istotny 
element oceny sprawozdania. 

Szczególnie  starannie  należy  wykonać  schemat  stanowiska.  Czy  schemat  ten  będzie  w 

formie  bardziej  realistycznej  czy  bardziej  umownej,  symbolicznej,  nie  ma  to  większego 
znaczenia.  Ważne,  żeby  były  na  nim  wszystkie  istotne  z  punktu  widzenia  określonego 
badania urządzenia, aparatura pomiarowa i pomocnicza, połączone logicznie w całość. 

Wszystkie  elementy  schematu  należy  opisać  w  legendzie  podając  conajmniej  typ 

urządzenia,  producenta,  zakres  pomiarowy  i  niepewności  wskazań.  Jeśli  jest  dostępne 
ś

wiadectwo  legalizacji,  wzorcowania  lub  uwierzytelnienia  –  podać  jego  numer  i  kto  je 

sporządził. 

Jeżeli  istotne  dla  badanych  zjawisk  są  wymiary  geometryczne  należy  je  też  podać  (np. 

ś

rednica i długość rurociągu, w którym zainstalowany jest badany przepływomierz). 

Fotografia  stanowiska  lub/i  jego  fragmentów  może  być  pożytecznym  elementem 

uzupełniającym, nie może jednak zastąpić schematu. 

background image

 

 

Opracowanie wyników badań 

Należy  załączyć  wyniki  pomiarów  wykonywanych  bezpośrednio,  wyniki  obliczeń 

pośrednich  i  wyniki  końcowe.  Bardzo  ważna  jest  analiza  niepewności  lub  analiza  błędów. 
Jeśli  tylko  jest  to  możliwe,  wyniki  końcowe  należy  przedstawiać  w  postaci  graficznej  (np. 
charakterystyka  badanego  przyrządu,  krzywa  błędów).  Przy  opracowywaniu  wykresów 
należy  dobrze  dopracować  opis  osi  –  standardowe  wykresy  generowane  np.  przez  MSExcel 
zwykle nie są zadowalające.  

 

Wnioski 

Czasem  instrukcja  zawiera  wskazówki  jakie  najważniejsze  elementy  należy 

przeanalizować i ująć we wnioskach. Jeśli nie, to należy posłużyć się własną dociekliwością i 
zmysłem  krytycznym.  Wnioski  są  zwykle  dobrym  materiałem  dla  sprawdzenia  i  oceny,  czy 
ć

wiczenie  było  wykonywane  świadomie  i  ze  zrozumieniem  badanych  zjawisk,  czy 

mechanicznie, bez zaangażowania potencjału intelektualnego. 
 

 

Literatura: 
[1] Turkowski M.: Przemysłowe sensory i przetworniki pomiarowe, OWPW, Warszawa, 
2000 (wyd. 1) lub wyd. II - 2002