автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.15, диссертация на тему:Разработка и исследование научно-технических основ метрологического обеспечения производства и эксплуатации счетчиков воды

На правах рукописи УДК 389.14.003.3.647.6

СТЕПАНОВ Олег Сергеевич

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИХ ОСНОВ МЕТРОЛОГИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВА И ЭКСПЛУАТАЦИИ СЧЕТЧИКОВ ВОДЫ

05.11.15 - метрология и метрологическое обеспечение

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

г. Москва 2004 г.

Работа выполнена во

Всероссийском научно-исследовательском институте метрологической службы и на предприятии «Ценнер - Водоприбор»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Асташенков А.И.

Научный консультант: доктор физико-математических наук, старший

научный сотрудник Кудеяров Ю.А.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, доцент Данилов А.А.,

кандидат технических наук, старший научный сотрудник Богданов Ю.А.

Ведущая организация: Всероссийский научно-исследовательский институт расхо-дометрии (г. Казань)

Защита диссертации состоится 004 Г. В Т^'часов на заседа-

нии диссертационного совета Д 308^1.01 пр'и ВНИИМС по адресу: г. Москва, ул. Озерная, 46

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВНИИМС. Автореферат разослан «/дрлфлгт г.

I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

В начале XX века, когда в ряде промышленно развитых стран, таких как Германия, Великобритания, Франция, Россия начали закладываться основы промышленного производства расходомеров и счетчиков воды, никто не мог предположить, что вода будет относиться к одному из важнейших природных ресурсов нашего настоящего и будущего. По данным ООН уже сейчас 31 государство находится на грани водного кризиса, через четверть века в результате роста народонаселения и возрастающим в связи с этим потреблением воды серьезные проблемы будут испытывать уже около 50 стран.

Россия является одним из наиболее обеспеченных водными ресурсами государств. Потребление воды из природных источников в России в год составляет 90,2 млрд. м3 (из поверхностных источников - 77,8 млрд. м3, из подземных источ-ников-12,4 млрд. м3).

Основы системы водоснабжения и водоотведения в России были созданы в начале XX века и в основном отвечали социальным и экономическим потребностям страны. По обеспечению водой и по ее качеству Россия в XX веке была на уровне развитых стран Европы и мира. Однако в результате возрастающего антропогенного воздействия на окружающую среду, изношенности оборудования и недостатка финансирования качество воды в источниках постоянно ухудшается.

В настоящее время около трети очистных сооружений страны работают с гидравлической перегрузкой, нормативы очистки не выполняются для 14% очистных сооружений. Качество очищенной воды стало хуже, чем в странах Европы. Такая ситуация сложилась в связи с практически бесконтрольным использованием воды и ее обесцениванием в течение целого ряда десятилетий. Чисто декларативные подходы к рациональному использованию воды не способствовали разработке и производству современных отечественных приборов для измерений расхода и объема гидроресурсов.

Выход из сложившейся ситуации заключается в использовании водосбере-гающих технологий и жестком контроле потребления воды. Существующее положение в этой области в настоящее время характеризуются противоречивыми тенденциями.

РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ БИБЛИОТЕКА

С одной стороны, процесс реформирования в нашей стране, в частности приватизация, практически не затронул систем водоснабжения и водоотведения, что позволило сохранить их целостность и работоспособность, но привел, в свою очередь, к сохранению в этой сфере жесткого централизованного стиля управления исчезнувшего государства. По-прежнему разрабатываются федеральные программы, срок выполнения которых постоянно переносится, развитие идет исключительно за счет увеличения нормативного потребления, роста тарифов и дотаций из местных бюджетов, а также перекрестного субсидирования. Если ситуация не изменится, то уже через 15-20 лет системы водоснабжения и водопользования столкнутся с серьезным кризисом, при котором почти половина населения страны будет вынуждена пользоваться некачественной водой.

С другой стороны, реформирование жилищно-коммунального комплекса все-таки идет. Введен налог на водопользование, наблюдается тенденция увели -чения цен на гидроресурсы. Последующие этапы этого реформирования невозможны без разработки, подготовки и проведения соответствующих материально-технических мероприятий, в частности, инвентаризации потребителей воды и собственников жилья и предприятий, повышения тарифов, разделения их для питьевой и технической воды, повсеместного учета потребления воды с помощью счетчиков воды. В связи с этим резко возрастает интерес к средствам измерений расхода и объема холодной и горячей воды.

Развитию и совершенствованию производства счетчиков воды (СВ) на российских предприятиях способствуют не только растущие потребности рынка и развитие жилищно-коммунальной реформы, но и возникшая конкуренция между производителями соответствующих средств измерений и контроля, а также открывшийся доступ к элементной базе всемирно известных производителей.

В настоящее время бурное развитие рынка средств измерений расхода и объема обусловлено, прежде всего, потребностью измерений объема воды для осуществления финансовых расчетных операций. Кроме того, объем воды контролируется при потреблении из поверхностных и подземных источников, при реализации холодной и горячей воды, а также при сбросе воды после использования. Если вода используется в качестве теплоносителя, измерение ее объема и массы осуществляется для контроля потребления теплоты. Помимо расчетных операций, системы измерений количества воды находят широкое применение для контроля технологических процессов в промышленности, коммунальном и

сельском хозяйстве. Технологический контроль расхода воды необходим для управления такими процессами как транспортировка воды, водоподготовка, теплообмен, дозирование. Системы измерений расхода и объема воды применяются также для оценки эффективности функционирования различных сооружений, установок и аппаратов, а также диагностики их неисправностей.

В Государственном реестре средств измерений количество типов приборов для измерений расхода и объема воды исчисляется уже сотнями. Однако высококачественных отечественных приборов не так много, а хорошие импортные приборы стоят дорого.

Появлению средств измерений низкого качества способствует несовершенство нормативной базы и отсутствие у большинства производителей желания выполнять исследовательские и испытательные работы, так как они требуют привлечения высококвалифицированных специалистов и существенных временных затрат, что ведет к увеличению себестоимости продукции. Эти пробелы в большинстве случаев возмещаются недобросовестной рекламой.

Основным критерием для оценки систем измерений объема воды является достоверность получаемой информации, которая, в свою очередь, определяется надежностью работы систем и метрологическими характеристиками используемых средств измерений. Важно отметить, что оценивать эти характеристики следует применительно к реальным условиям эксплуатации, т.к. высокая точность прибора, указанная в паспорте или рекламном проспекте, часто задается для ус-. ловий, обеспечить которые на реальных объектах невозможно. Именно это и является одной из основных причин скрытого от потребителя несовершенства некоторых средств измерений.

Как уже отмечалось, СВ являются хорошо известными и давно разрабатываемыми приборами. Принципы действия СВ основаны на разных физических методах, каждый из которых имеет свои особенности. Самым распространенным типом СВ являются тахометрические приборы, представленные крыльчатыми и турбинными счетчиками, имеющими достаточно большой диапазон при измерении холодной и горячей воды и низкую стоимость. К счетчикам такого типа относятся, в частности, многоструйные счетчики воды, поставляемые на российский рынок фирмой «ВОДОУЧЕТ - ВЕРЛЕ», турбинные счетчики ОАО «Завод «ВОДОПРИ-БОР» (г. Москва), счетчики холодной и горячей воды типа «Алексеевский», производимые фирмой «ЦЕННЕР-ВОДОПРИБОР» (г. Москва), и т.д.

Уже говорилось, что в условиях конкуренции важнейшую роль приобретает улучшение метрологических характеристик СВ. В условиях промышленного предприятия выход на заданные метрологические характеристики выпускаемой продукции является важнейшей задачей метрологического обеспечения производства.

Если обратиться к проблемам метрологического обеспечения производства СВ, то необходимо отметить две основные особенности, характерные для этой области метрологической деятельности в настоящее время.

С одной стороны, в силу многолетней истории производства и эксплуатации этих средств измерений соответствующая нормативная база в виде совокупности стандартов, в том числе и международных, формулирующих необходимые технические требования в виде методик испытаний и поверки, давно разработана в объеме, достаточном для успешного производства счетчиков и выхода на требуемые метрологические характеристики.

С другой стороны, если обратиться к содержанию этой нормативной базы, то видно, что большинство нормативных документов было разработано 15-20 лет назад, например, ГОСТ 6019 - 83 «ГСИ. Счетчики холодной воды крыльчатые. Общие технические условия» или ГОСТ 8.156-83 «ГСИ. Счетчики холодной воды. Методы и средства поверки». За это время технология изготовления СВ претерпела серьезные изменения, в частности, за счет использования новых материалов и широкого внедрения автоматизации. Разработаны новые средства измерений и контроля как самих технологических процессов, так и метрологических характеристик СВ. В условиях увеличения объемов производства ужесточились требования к оперативности и надежности контроля метрологических характеристик. Все это еще не нашло должного отражения в существующей нормативно-технической документации. И даже если нормативные документы пересматривались, то в ряде случаев недостатки устаревшей нормативной базы перекочевали в эти «новые» документы. В качестве примера можно назвать МИ 1592 - 99 «ГСИ. Счетчики воды крыльчатые. Методика поверки», при использовании которой возникает ряд вопросов, касающихся научного обоснования и целесообразности некоторых рекомендаций.

Уже имеющийся опыт производства и эксплуатации СВ показывает, что требуется, в частности, научное обоснование и, возможно, пересмотр такой важной характеристики как межповерочный интервал. В связи с возросшими объема-

ми производства возникла проблема оперативного определения и контроля некоторых метрологических характеристик СВ, непосредственно связанных с их метрологическим классом. Появилась необходимость привлечения таких методов поверки, как метод сличения СВ и их выборочной поверки для сопоставления метрологических характеристик стационарных поверочных установок и рабочих счетчиков, контроля этих характеристик для СВ в процессе эксплуатации и повышения оперативности такого контроля. Требуют научного обоснования принципы учета метрологических характеристик СВ и при взаиморасчетах между поставщиками и потребителями воды. Эта проблема характерна для всего жилищно-коммунального комплекса и в большинстве случаев замыкается на необходимость учета метрологических характеристик СВ.

Из сказанного следует, что вопросы и рекомендации, рассмотренные и предложенные в диссертации, являются актуальными, и их разработка и исследование вызваны насущными и реальными проблемами, стоящими перед производителями счетчиков воды и организациями, эксплуатирующими эти средства измерений.

Таким образом, возникает важная научно-техническая задача разработки, исследования, научного обоснования, а также уточнения методов и средств метрологического обеспечения производства (МОП) и эксплуатации СВ. Решению этой задачи посвящена предлагаемая диссертационная работа.

Цель и основные задачи работы.

Целью диссертационной работы является разработка и исследование методов и средств МОП и эксплуатации СВ, а также исследование влияния их метрологических характеристик на учет воды в сфере жилищно-коммунального комплекса.

Для достижения поставленной цели в диссертации решены следующие научные задачи:

1. Проведен анализ существующих методик назначения межповерочного интервала с целью выбора научно обоснованной методики назначения этого интервала с учетом опыта эксплуатации СВ. Экспериментально исследована зависимость динамической составляющей погрешности измерения объема воды от суммарного объема прошедшей через счетчик воды с целью использования этой зависимости в дальнейшем для обоснования значения межповерочного интервала.

2. На примере СВ проведено экспериментальное исследование методики сличения счетчиков и показана эффективность использования этой методики для контроля MX CB в процессе эксплуатации.

3. Проведено экспериментальное обоснование метода выборочной поверки СВ для повышения оперативности контроля метрологических характеристик счетчиков в условиях эксплуатации.

4. Разработано и экспериментально исследовано устройство измерения времени выбега для СВ. Экспериментально апробирована методика оперативного назначения и контроля метрологического класса СВ, основанная на измерении времени выбега.

5. Обоснованы принципы учета метрологических характеристик счетчиков воды при взаиморасчетах между поставщиками и потребителями воды в сфере жилищно-коммунального комплекса.

6. Разработан комплекс стандартов предприятия по метрологическому обеспечению производства и эксплуатации СВ типа «Алексеевский» на фирме «ЦЕН-НЕР-ВОДОПРИБОР» как подсистемы системы управления качеством. Научная новизна.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. С привлечением методов теории метрологической надежности, на основании анализа статистических данных по нестабильности метрологических характеристик счетчиков воды и данных по многолетней их эксплуатации проведено научное обоснование межповерочного интервала (МПИ) для этих средств измерений (СИ).

2. Показано, что более корректным, по сравнению с зависимостью погрешности СВ от времени эксплуатации, для получения интересующих производителей и пользователей СИ оценок МПИ является использование зависимости погрешности от значений измеренного счетчиком объема прошедшей через него воды, поскольку в этом случае появляется явная возможность учесть режимы расхода, при которых работает счетчик.

3. Для сопоставления метрологических характеристик СВ и их контроля в процессе эксплуатации применен метод их сличения и экспериментально исследованы его возможности и условия применимости.

4. Экспериментально исследован метод выборочной поверки для контроля метрологических характеристик СВ и показано, что если результаты выборочной

поверки удовлетворяют соответствующему критерию, то их можно распространить на партию приборов, превышающую по количеству на один - два порядка поверенную партию, что в условиях массового производства приводит к существенной экономии временных и финансовых затрат на поверку и контроль МК этих приборов.

5. Разработаны устройство и методика оперативного отнесения СВ к соответствующему метрологическому классу, основанная на измерении с помощью разработанного устройства так называемого времени выбега, т.е. на измерении интервала времени между моментом снятия внешнего воздействия со счетчика и моментом его полной остановки. Проведены экспериментальные исследования, показавшие эффективность использования разработанной методики для контроля МК СВ.

6. Дано научное обоснование учета МК СВ при взаиморасчетах между поставщиками и потребителями воды в жилищно-коммунальном комплексе, основанного на введении корректирующих поправок, зависящих от метрологических характеристик используемых средств измерений, в показания счетчиков поставщиков и потребителей воды, позволяющих свести соответствующий баланс.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Межповерочный интервал для счетчиков воды может быть установлен на основании комплексного подхода с использованием статистических данных о нестабильности их МК и данных по среднему сроку службы, полученных по результатам их многолетней эксплуатации.

При контроле МК СВ более корректным, по сравнению с общепринятым, является использование зависимости средневзвешенной погрешности от прошедшего через счетчик объема воды. На основании проведенных экспериментальных исследований по метрологической надежности счетчиков воды типа «Алексеевский» зависимость средневзвешенной погрешности от времени эксплуатации оказывается отличной от соответствующей зависимости, приведенной в МИ 1592 - 99 «ГСИ. Счетчики воды крыльчатые. Методика поверки».

2. Методика сличения МК СВ позволяет производить их оперативный контроль, при этом расхождение между погрешностями, оцененными по методике, и погрешностями, полученными непосредственно на поверочной уста-

новке, не превышает 0,03%. Эта методика может в дальнейшем использоваться как методика поверки и испытаний счетчиков жидкости и газа на базе реальных технологических трубопроводов без применения традиционных средств поверки и испытаний.

На основании проведенных экспериментальных исследований показано, что методика сличения может быть использована и для контроля метрологических характеристик расходомеров, при этом ее применение для этих средств измерений имеет особенности, обусловленные необходимостью усреднения результатов измерений, что вносит соответствующую погрешность в эти результаты. Эта погрешность может быть оценена и минимизирована с помощью вычисления в каждом конкретном случае глубины автокорреляции.

3. Замена сплошной поверки СВ на выборочную поверку с использованием соответствующего критерия в условиях массового производства приводит к существенной экономии временных и финансовых затрат на поверку и контроль МХ этих приборов.

4. Для оперативного отнесения СВ к соответствующему метрологическому классу может быть использован метод измерения времени выбега, при этом для обоснования методики может быть использован экспериментальный способ, основанный на анализе статистики по измерению с помощью специально разработанного устройства времени выбега как для гидравлической, так и для индикаторной части счетчиков известного метрологического класса. Экспериментальные данные по измерению времени выбега позволяют определить кинематические коэффициенты счетчиков и момент сил трения, действующий на их крыльчатки.

5. Для решения проблемы небаланса в случае, когда учет воды ведется как по домовому, так и по квартирным счетчикам может быть использован метод внесения корректирующих поправок в показания счетчиков, зависящих от значений их МХ, для проведения взаиморасчетов между поставщиками и потребителями воды в сфере жилищно-коммунального комплекса.

6. Разработанный комплект стандартов предприятия образует основу подсистемы МОП и эксплуатации счетчиков воды общей системы управления качеством на предприятии.

ю

Практическая ценность работы.

Такие результаты диссертационной работы как методы группового сличения СВ и их выборочной поверки, метод оперативного отнесения СВ к метрологическому классу В, основанный на измерении выбега, и подсистема МОП СВ внедрены в полном объеме на фирме «ЦЕННЕР - ВОДОПРИБОР» при производстве и эксплуатации СВ типа «Алексеевский». Система управления качеством на фирме сертифицирована в мае 2004 г.

Апробация результатов работы и публикации.

Диссертационная работа на разных стадиях ее выполнения докладывалась и обсуждалась на:

- II - й Всероссийской научно-технической конференции «Метрологическое обеспечение учета энергетических ресурсов», Сочи, 2001 г;

- 12-й научно-практической конференции «Совершенствование измерений расхода жидкости, газа и пара», С. - Петербург, 2002;

- научном семинаре «Энергосбережение на предприятии» в Государственной академии повышения квалификации и переподготовки для строительства и ЖККА России, п. Красково, 2002;

- научном семинаре отдела «Метрологическое обеспечение учетных операций» ВНИИ метрологической службы (2001 -2003 гг.);

- V - й Всероссийской научно-технической конференции «Метрологическое обеспечение учета энергетических ресурсов», Звенигород, 2003 г. Счетчики воды, производимые фирмой «ЦЕННЕР - ВОДОПРИБОР», неоднократно выставлялись на отечественных и зарубежных выставках и награждались грамотами и дипломами такими как юбилейная грамота Государственного комитета РФ по строительной, архитектурной и жилищно-коммунальной политике, 1999 г.; диплом «УРАЛСТРОЯ» в номинации «Архитектура и градостроительство» за широкое применение в жилищном строительстве разработанного оборудования, Уфа, 1999 .г.; диплом участника выставки «Сургут. Нефть и газ - 99, Энергетика - 99» за передовые конструкции и технологии в области энергоснабжения; диплом международной выставки «Экспоград» за лучшие экспонаты, г. Кемерово, 2001 г.; почетный диплом Международной выставки «Всероссийская марка (III тысячелетие). Знак качества XXI века», Москва, ВВЦ, 2001 г.; диплом участника вы-

ставки «Вода: экология и технология», ЭКВАТЭК - 2002, Москва и т.п. (более 20 грамот, дипломов и свидетельств).

По материалам, вошедшим в диссертацию, опубликовано 8 печатных работ. Список публикаций приведен в конце автореферата.

II. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Как было сказано выше, основные задачи, решаемые в диссертации, сводятся к научному обоснованию такой характеристики счетчика воды как межповерочный интервал, к проблеме оперативного определения и контроля MX CB, непосредственно связанных с их метрологическим классом, к необходимости привлечения таких методов поверки, как метод сличения СВ и их выборочная поверка, к научному обоснованию принципов учета MX CB при взаиморасчетах между поставщиками и потребителями воды. Решение перечисленных задач составляет содержание диссертации.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитированной литературы.

Во Введении обосновывается актуальность работы, формулируются цель и задачи диссертации, научная новизна и положения, выносимые на защиту.

В Главе 1 «Исследование методов назначения межповерочного интервала для счетчиков воды» первые два параграфа посвящены рассмотрению принципа действия, устройства и MX CB, а также описанию поверочной установки и методики поверки.

В третьем параграфе «Обоснование значения межповерочного интервала для счетчиков воды» дан анализ существующих методик назначения МПИ. Отмечается, что некоторые из них характеризуются общим подходом к рассматриваемой проблеме и обременены сложным математическим аппаратом, затрудняющим их использование в рутинной метрологической практике. Другие методики содержат ряд рекомендаций, научное обоснование которых вызывает определенные сомнения.

В работе при назначении МПИ для счетчиков воды предлагается комплексный подход, основанный как на статистических данных по нестабильности метрологических характеристик, так и на использовании опытных данных по времени наработки на метрологический отказ, полученных на основе многолетней эксплуа-

тации СВ. Кроме того, вместо обычно используемой зависимости средневзвешенной погрешности СВ от времени их эксплуатации предлагается использовать зависимость этой погрешности от прошедшего через счетчик объема воды вида

¿ = +(1,8 + а-Г)%, (1)

где относительная погрешность измерения прошедшего

через счетчик объема воды, изменения этой погрешности, имеющая

размерность %/м3, V = Q■t, - объем воды (в м3), прошедший через счетчик в процессе измерения, при этом рекомендуемое потребление воды в единицу времени (рекомендуемый расход), { - время измерения. Такая зависимость более корректно учитывает условия эксплуатации счетчиков, поскольку позволяет ввести в рассмотрение режимы расхода, при которых работают СВ.

Безусловно, на значение МПИ, кроме времени эксплуатации, оказывают влияние целый ряд других факторов (температура, динамика расхода, наличие неоднородностей и т.п.). Для явного учета этих факторов необходимо проводить специальные исследования. Вместе с тем, неявный учет их влияния может быть отражен в конкретном значении коэффициента а, полученного на основании экспериментальных исследований (см. ниже).

Экспериментальные исследования, по исследованию зависимости погрешности счетчиков воды типа «Алексеевский» от прошедшего через счетчик объема воды, проведенные на поверочной установке ЦРВ-40, позволили оценить значение коэффициента а. При средневзвешенном расходе Q = 0,85 М3/ч, при котором проводились экспериментальные исследования, оказалось, что а^2,26-10"4%/м31 при этом типичная экспериментальная зависимость приведена на рис. 1.

Для счетчиков воды типа «Алексеевский» при времени выхода погрешности за пределы допуска, равному в среднем 6 годам, при эксплуатационном расходе 0,375 м3/ч и коэффициенте использования счетчика 0,66 скорость изменения погрешности не должна превышать 1,3-Ю"4 %/м3, а зависимость погрешности от времени эксплуатации имеет вид

(2)

где и время эксплуатации в тыс. часов.

Показано, что значение МПИ для СВ типа «Алексеевский», равное 6 годам, обосновано методами теории метрологической надежности и находится в соответствии с многолетними данными по их эксплуатации.

В Главе 2 «Экспериментальное исследование методов контроля метрологических характеристик расходомеров и счетчиков воды при их эксплуатации» на примере счетчиков холодной воды типа «Алексеевский» рассмотрено применение методов сличения и выборочной поверки для контроля метрологических характеристик этих приборов. Проведенные экспериментальные исследования показывают возможность и эффективность использования этих методов в дополнение к традиционным (поверка с помощью стационарных или переносных поверочных установок) для контроля MX этих средств измерений в процессе эксплуатации.

Методика сличения MX СИ, предложенная в МИ 1832 - 88 «ГСИ. Сличения групп средств поверки одинакового уровня точности», в работе сформулирована для случая, когда группа сличаемых счетчиков состоит из четырех случайным образом выбранных из большой группы СИ экземпляров, а для расходомеров дополнена вычислением таких статистических характеристик сличаемых СИ, как автокорреляционная функция и глубина корреляции. Экспериментально показано, что предложенная методика позволяет производить оперативный контроль счетчиков и расходомеров, при этом расхождение между погрешностями, оцененными по методике, и погрешностями, полученными непосредственно на поверочной установке, описанной в Главе 1, не превышает 0,03%.

С использованием статистического критерия Стьюдента показано, что расхождения между погрешностью сличения и погрешностью поверки не являются случайным, а обусловлены наличием систематической составляющей погрешности сличения, которая должна быть предварительно оценена.

Методика позволяет выявить счетчик, обладающий наименьшей погрешностью, и условно принять его за «эталонный». Если сделать предварительную оценку систематической составляющей погрешности этого счетчика, то, по мере накопления экспериментальных данных, эту методику можно в дальнейшем использовать как методику поверки и испытаний различных типов расходомеров и счетчиков жидкости и газа на базе реальных технологических трубопроводов без применения традиционных средств поверки и испытаний.

В заключительной части главы приведены экспериментальные результаты, показывающие, что вместо сплошной поверки счетчиков можно воспользоваться результатами их выборочной поверки. Если результаты выборочной поверки удовлетворяют критерию: отношение отклонения выборочного среднего от допуска к среднеквадратичному отклонению не должно быть меньше контрольного

норматива, то их можно распространить на партию приборов, превышающую по количеству на один - два порядка поверенную партию, что в условиях массового производства приводит к существенной экономии временных и финансовых затрат на поверку и контроль метрологических характеристик этих приборов.

В Главе 3 «Исследование метода оперативной оценки метрологического класса счетчиков воды» рассмотрен метод отнесения СВ к тому или иному метрологическому классу, основанный на измерении так называемого времени выбега, о котором уже говорилось.

Совместно с заводом «ЭЛЕКС» (г. Александров) разработано устройство для определения метрологического класса счетчиков воды, действие которого основано на измерении времени выбега. В этом устройстве действие потока жидкости на счетчик имитируется переменным магнитным полем, которое воздействует на крыльчатку счетчика или на индикаторный механизм с закрепленными на них магнитами, раскручивая крыльчатку до определенной угловой скорости вращения оо, а индикатор до частоты вращения, определяемой значением передаточного числа. Далее действие магнитного поля прекращается, и крыльчатка (индикаторный механизм) счетчика продолжают по инерции вращаться с замедлением до полной остановки.

Устройство позволяет измерять интервал времени между моментом прекращения внешнего воздействия на крыльчатку (индикаторный механизм) и моментом их полной остановки Конструкция устройства такова, что время выбега может быть измерено отдельно как для гидравлической (проточной) части счетчика, так и для индикаторного механизма.

В основу экспериментальных исследований по определению метрологического класса счетчиков предложен метод установления связи между этим классом и значениями времен выбега для индикаторных механизмов и гидроузлов и метрологическим классом счетчика способом от «обратного». Для этого после поверки счетчиков на поверочной установке отбираются приборы, относящиеся по результатам поверки к метрологическому классу В. Затем индикаторные механизмы счетчиков и гидравлические части разделяются и проводится измерение времен выбега отдельно для этих комплектующих при одинаковых значениях начальной частоты. В результате для конкретного счетчика класса В определяется пара значений (/,,Гг)для точки на плоскости времен выбега с осями 01и,01г. После набора

соответствующей статистики определяются области значений времен выбега для индикаторного механизма и гидроузла, заведомо относящиеся к счетчикам метрологического класса В. Эти области ограничены минимальными значениями времен выбега, характерными для данного метрологического класса, которые определяются экспериментально на основании набранной статистики (см. рис.2). При этом предполагается, что после измерения времени выбега и сборки счетчиков они продолжают принадлежать к метрологическому классу В.

Имея данные по измерению времен выбега для индикаторных механизмов и гидроузлов счетчиков, метрологический класс которых еще неизвестен, можно относить или не относить эти счетчики к метрологическому классу В, в зависимости от того, куда попадает измеренная пара значений не прибегая к поверке счетчиков на поверочной установке. В этом заключается сущность метода оперативного отнесения счетчиков к тому или иному метрологическому классу.

Для нахождения ряда технических и метрологических характеристик гидроузлов СВ развита теория, основанная на анализе решения уравнения движения крыльчатки гидроузла после прекращения на нее внешнего воздействия

(3)

где (о- угловая скорость вращения крыльчатки ,-эта скорость в момент прекращения внешнего воздействия, определяющий зависимость

сил трения от угловой скорости вращения крыльчатки, так называемый

кинематический коэффициент счетчика, при этом сил трения покоя,

действующих на крыльчатку, J- момент инерции крыльчатки счетчика.

Измерения времени выбега и полного числа оборотов за время выбега позволили определить такие характеристики счетчиков как их кинематические коэффициенты, коэффициенты зависимости момента сил трения покоя от числа оборотов счетчика и граничные значения времени выбега (полного числа оборотов за время выбега), отвечающие разным режимам расхода для счетчиков метрологического класса В. Так граничные значения времени выбега и полного числа оборотов за время выбега при минимальном, переходном и номинальном расходах для индикаторных механизмов счетчиков воды метрологического класса В оказались равными

(1+в) = (1+Ль).е-"! а а

Первые два значения для граничного времени выбега и полного числа оборотов следует понимать как теоретические оценки этих значений, поскольку устройство для измерения времени выбега не способно реагировать на такие малые значения соответствующих величин. Кроме того, это устройство считает полное число оборотов с точностью до целого оборота.

Экспериментальные измерения момента инерции крыльчатки позволили произвести оценку момента сил трения покоя М„, действующих на ее ось вращения в воздушной среде. В частности оказалось, что для счетчиков воды типа «Алексеевский»

А/0=(9,6±0,4)-Ю-7НМ. (5)

С целью применения развитой теории для получения оценки технических характеристик индикаторного механизма счетчиков воды введено понятие эквивалентной крыльчатки.

Полученные расчетно-экспериментальные оценки граничных значений, отвечающих различным расходам работы счетчиков воды, времен выбега и полного числа оборотов за время выбега для гидроузлов и индикаторных механизмов счетчиков метрологического класса В, позволили определить области значений этих величин, знание которых дает возможность производить оперативное отнесение производимых счетчиков к этому метрологическому классу, не прибегая к процедуре поверки.

В Главе 4 «Общие принципы учета воды при взаиморасчетах между поставщиками и потребителями воды в жилищно-коммунальном комплексе» рассмотрен актуальный вопрос о влиянии MX ОБ на взаиморасчеты между поставщиками и потребителями воды.

Проанализирован существующий порядок этих взаиморасчетов и для случая, когда учет воды ведется как по домовому, так и по квартирным счетчикам, предложен метод сведения соответствующего баланса. Метод основан на внесении корректирующих поправок в показания счетчиков. Предлагается значения этих поправок считать пропорциональными значению небаланса, т.е.. в случае неба-

ланса значение коррекции для 1-го счетчика может быть записано в следующем виде

где безразмерный коэффициент к, берется пропорциональным значению небаланса ДК', и обратно пропорциональным суммарной абсолютной погрешности всех счетчиков потребителей, т.е.

л/и-А К'

(7)

где а- параметр, значение которого подбирается таким, чтобы после проведения коррекции выполнялось условие баланса, л-число счетчиков потребителей. При этом значение коррекции (6) не должно превышать допустимой абсолютной погрешности счетчика. Таким образом, скорректированные показания! ! -го квартирного счетчика должны иметь следующий вид

Именно эти показания должны учитываться при подведении баланса.

Необходимо отметить, что изложенный подход к сведению баланса справедлив для случая отрицательного небаланса, когда согласно существующим рекомендациям показания домового счетчика не корректируются, а корректируются только показания квартирных счетчиков.

При положительном небалансе коэффициент а в формуле (7) полагается равным единице, а условие баланса после коррекции показаний квартирных счетчиков достигается коррекцией показаний домового счетчика, т.е. в этом случае скорректированные показания домового счетчика имеют вид

где значения корректирующего слагаемого не должны превышать допускаемой абсолютной погрешности домового счетчика.

Предельный небаланс, который может быть распределен по изложенному методу, не должен превышать суммарное значение абсолютных погрешностей домового счетчика и квартирных счетчиков. Если это случается, то оставшаяся часть небаланса должна браться на себя поставщиком воды. Эта ситуация означает либо наличие технологической протечки в трубопроводе, либо несанкциони-

рованный отбор воды. В любом случае причина такого экстремального небаланса должна быть установлена.

На основании экспериментального моделирования водоснабжения жилого дома показана возможность использования предложенного метода для взаиморасчетов между поставщиками и потребителями воды в жилищно-коммунальном комплексе.

В Главе 5 «Основные положения системы метрологического обеспечения производства счетчиков воды на фирме «ЦЕННЕР - ВОДОПРИБОР»» приведен перечень и основные характеристики комплекта стандартов предприятия, составляющих, по - существу, подсистему метрологического обеспечения общей системы управления качеством производства счетчиков воды на предприятии.

В Заключении приведены основные результаты работы.

III. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. При назначении межповерочного интервала для СВ предложен комплексный подход, основанный как на статистических данных по нестабильности метрологических характеристик, так и на использовании опытных данных по времени наработки на метрологический отказ, полученных на основе многолетней эксплуатации СВ. Кроме того, вместо обычно используемой зависимости динамической составляющей погрешности СВ от времени их эксплуатации предлагается использовать зависимость этой погрешности от прошедшего через счетчик объема воды. Такая зависимость более корректно учитывает условия эксплуатации счетчиков, поскольку позволяет ввести в рассмотрение режимы расхода, при которых работают СВ.

2. Экспериментальное исследование методики сличения счетчиков воды показало, что эта методика позволяет производить оперативный контроль MX этих счетчиков. При этом расхождение между погрешностями, оцененными по методике, и погрешностями, полученными непосредственно на поверочной установке, не превышает 0,03%. Эта методика может в дальнейшем использоваться как методика поверки и испытаний различных типов счетчиков жидкости на базе реальных технологических трубопроводов без применения традиционных средств поверки и испытаний. Экспериментально показано, что методика сличения может быть использована и для контроля MX расходомеров.

3. Показано, что если вместо сплошной поверки счетчиков воспользоваться результатами их выборочной поверки и если эти результаты удовлетворяют соответствующему критерию, то в условиях массового производства это приводит к существенной экономии временных и финансовых затрат на поверку и контроль МХ этих приборов.

4. Совместно с заводом «ЭЛЕКС» (г. Александров) разработано устройство для определения метрологического класса счетчиков воды, действие которого основано на измерении времени выбега. При экспериментальных исследованиях по определению метрологического класса счетчиков предложен метод установления связи между этим классом и значениями времен выбега для индикаторных механизмов и гидроузлов и метрологическим классом счетчика способом от «обратного». Полученные расчетно-экспериментальные оценки граничных значений времен выбега и полного числа оборотов за время выбега для гидроузлов и индикаторных механизмов, отвечающих различным расходам работы счетчиков воды метрологического класса В, позволили определить области значений этих величин, знание которых дает возможность производить оперативное отнесение производимых счетчиков к этому метрологическому классу, не прибегая к процедуре поверки.

5. Для нахождения ряда технических и метрологических характеристик гидроузлов счетчиков воды развита теория, основанная на анализе решения уравнения движения крыльчатки гидроузла после прекращения на нее внешнего воздействия. Введено понятие кинематического коэффициента счетчика. Измерения времен выбега и полного числа оборотов за время выбега на счетчиках воды позволили определить такие характеристики счетчиков как их кинематические коэффициенты, коэффициенты зависимости момента сил трения покоя от числа оборотов счетчика и граничные значения времени выбега (полного числа оборотов за время выбега), отвечающие разным режимам расхода для счетчиков метрологического класса В, а также произвести оценку момента сил трения покоя, действующего на ее ось вращения в воздушной среде. Понятие эквивалентной крыльчатки дает возможность применить развитую теорию для оценки технических характеристик индикаторного механизма счетчиков воды.

6. Предложен метод сведения баланса между поставкой и потреблением воды, основанный на введении корректирующих поправок, пропорциональных значению небаланса и обратно пропорциональных суммарной абсолютной погреш-

ности используемых средств контроля, при условии, что эти поправки не превышают допускаемые абсолютные погрешности средств контроля Метод сведения баланса апробирован на модельной ситуации водоснабжения жилого дома, воспроизведенной на поверочной установке типа ЦРВ - 40 Апробация показала пригодность разработанного метода, который может быть использован для проведения взаиморасчетов между поставщиками и потребителями воды в жилищно-коммунальном комплексе 7. На фирме проведена работа по внедрению предложенных методов и средств МОП счетчиков воды и сформулирована политика в области качества, а сама система управления качеством документирована в виде комплекта из 20 стандартов предприятия и сертифицирована Разработана подсистема метрологического обеспечения производства счетчиков воды, которая включает в себя почти все традиционные виды метрологической деятельности на предприятии

Рис. 1. Зависимость погрешности счетчика воды от измеренного объема

1 1 1 1 1 00 1 1 _

о

о о 0 0

0

о о

0 о°о

о 0 00 о -

о 0 ° о 0 0 0

_ 0 0

О о 0

о

о

1111111 1

!,3 2 23 3 3! 4 4! 3 33 б

т,Тп

Рис.2. График времен выбега (/„,/,) для счетчиков воды типа «Алексеевский» метрологического класса В

Материалы, вошедшие в диссертацию, опубликованы в следующих работах:

1. О.С. Степанов. Разработка системы метрологического обеспечения учета воды в сфере жилищно-коммунального комплекса. - Сообщения II Всероссийской научно-технической конференции «Метрологическое обеспечение учета энергоресурсов», т.2, Сочи, 2001 г., с. 42

2. А.И. Асташенков, О.С. Степанов. Совершенствование системы метрологического обеспечения учета воды в сфере жилищно-коммунального комплекса. - Измерительная техника, № 3,2002, с. 57 - 59.

3. О.С. Степанов, Ю.А Кудеяров, М.А. Данилов. О межповерочном интервале для счетчиков воды. - Законодательная и прикладная метрология, № 3, 2002, с. 37-44.

4. О.С. Степанов, М.А. Данилов, Ю.А Кудеяров. Экспериментальное исследование методики контроля метрологических характеристик расходомеров

жидкости методом группового сличения. - Тезисы 12-й научно-практической конференции «Совершенствование измерений расхода жидкости, газа и пара». С. - Петербург, 23 - 25 апреля 2002, с. 171.

5. О.С. Степанов, МА Данилов, ЮА. Кудеяров, В.В. Разиков. Экспериментальное исследование методов контроля метрологических характеристик расходомеров и счетчиков воды при их эксплуатации. - Законодательная и прикладная метрология, №3, 2003, с. 20-26.

6. О.С. Степанов, Ю.А. Кудеяров, М.А. Данилов. Метод оперативного определения метрологического класса счетчиков воды. - Законодательная и прикладная метрология, №5, 2003, с. 47-54.

7. О.С. Степанов. Экспериментальное исследование методов контроля метрологических характеристик расходомеров и счетчиков воды при их эксплуатации. Сообщения V -й Всероссийской научно-технической конференции «Метрологические обеспечение учета энергоресурсов», Звенигород, 2003 г., с. 42-45.

8. О.С. Степанов, М.А. Данилов. Общие принципы учета воды при взаиморасчетах между поставщиками и потребителями воды в жилищно-коммунальном комплексе. - Сообщения V -й Всероссийской научно-технической конференции «Метрологические обеспечение учета энергоресурсов», Звенигород, 2003 г., с. 161.

¡§255 2 ?

ВВЕДЕНИЕ.

1. ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ НАЗНАЧЕНИЯ МЕЖПОВЕРОЧНОГО ИНТЕРВАЛА ДЛЯ СЧЕТЧИКОВ ВОДЫ.

§1.1. Принцип действия, устройство и основные технические характеристики счетчиков воды.

§1.2. Метрологические характеристики счетчиков воды и организация их первичной поверки.

§1.3. Исследование методов назначения межповерочного интервала для счетчиков воды.

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ КОНТРОЛЯ МЕТРОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК РАСХОДОМЕРОВ И СЧЕТЧИКОВ ВОДЫ ПРИ ИХ ЭКСПЛУАТАЦИИ.

§2.1. Экспериментальное исследование методики сличения для контроля метрологических характеристик счетчиков воды.

§2.2. Особенности использования методики группового сличения для определения метрологических характеристик расходомеров.

§2.3. Экспериментальное исследование методики выборочной поверки для определения метрологических характеристик счетчиков воды.

3. ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДА ОПЕРАТИВНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕТРОЛОГИЧЕСКОГО КЛАССА СЧЕТЧИКОВ ВОДЫ.

§3.1. Метрологические классы счетчиков воды.

§3.2. Экспериментальное исследование времени выбега индикаторных механизмов и гидроузлов счетчиков воды типа «Алексеевский».

§3.3. Исследование технических характеристик счетчиков на основании измерения времени выбега для их гидроузлов.

§3.4. Оценки технических характеристик индикаторного механизма счетчиков воды на основе измерения времени выбега.

4. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ УЧЕТА ВОДЫ ПРИ ВЗАИМОРАСЧЕТАХ МЕЖДУ ПОСТАВЩИКАМИ И ПОТРЕБИТЕЛЯМИ В ЖИЛИЩНО-КОММУНАЛЬНОМ КОМПЛЕКСЕ.

5. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ СИСТЕМЫ МЕТРОЛОГИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВА И ЭКСПЛУАТАЦИИ СЧЕТЧИКОВ ВОДЫ НА ФИРМЕ «ЦЕННЕР - ВОДОПРИБОР».

§5.1. Процессный подход к системам управления качеством.

§5.2. Метрологическое обеспечение производства как подсистема общей системы управления качеством производства и эксплуатации счетчиков воды.

Актуальность работы.

В начале XX века, когда в ряде промышленно развитых стран, таких как Германия, Великобритания, Франция, Россия начали закладываться основы промышленного производства расходомеров и счетчиков воды, никто не мог предположить, что вода будет относиться к одному из важнейших природных ресурсов нашего настоящего и будущего. По данным ООН уже сейчас 31 государство находится на грани водного кризиса, через четверть века в результате роста народо-# населения и возрастающим в связи с этим потреблением воды серьезные проблемы будут испытывать уже около 50 стран.

Россия является одним из наиболее обеспеченных водными ресурсами государств. Потребление воды из природных источников в России в год составляет 90,2 млрд. м3 (из поверхностных источников - 77,8 млрд. м3, из подземных источников - 12,4 млрд. м3 [1]).

Основы системы водоснабжения и водоотведения в России были созданы в ^ начале XX века [2,3] и, в основном, отвечали социальным и экономическим потребностям страны. По обеспечению водой и по ее качеству Россия в XX веке была на уровне развитых стран Европы и мира. Еще в начале 90-х годов прошлого столетия жители многих городов России, таких, как Москва, Нижний Новгород, Самара, Казань, других «миллионников», в течение всей своей жизни пили воду из централизованной системы водоснабжения без ощутимого вреда для здоровья и продолжительности жизни, что не могли себе позволить жители боль-|| шинства городов Западной Европы. Однако в результате возрастающего атгропогенного воздействия на окружающую среду, изношенности оборудования и недостатка финансирования качество воды в источниках становится все более низким.

В настоящее время около трети очистных сооружений страны работают с гидравлической перегрузкой, нормативы очистки не выполняются для 14% очистных сооружений. Качество очищенной воды стало хуже, чем в странах Европы. Такая ситуация сложилась в связи с практически бесконтрольным использованием воды и ее обесцениванием в течение целого ряда десятилетий. Чисто декларативные подходы к рациональному использованию воды не способствовали разработке и производству современных отечественных приборов для измерений расхода и объема гидроресурсов.

Выход из сложившейся ситуации заключается в использовании водосбере-гающих технологий и жестком контроле потребления воды. Существующее положение в этой области в настоящее время характеризуется противоречивыми тенденциями.

С одной стороны, процесс реформирования в нашей стране, в частности приватизация, практически не затронул систем водоснабжения и водоотведения, что позволило сохранить их целостность и работоспособность, но привел, в свою очередь, к сохранению в этой сфере жесткого централизованного стиля управления исчезнувшего государства. По-прежнему разрабатываются федеральные программы, срок выполнения которых постоянно переносится, развитие идет исключительно за счет увеличения нормативного потребления, роста тарифов и дотаций из местных бюджетов, а также перекрестного субсидирования. Если ситуация не изменится, то уже через 15-20 лет системы водоснабжения и водопользования столкнутся с серьезным кризисом, при котором почти половина населения страны будет вынуждена пользоваться некачественной водой.

С другой стороны, реформирование жилищно-коммунального комплекса все-таки идет. Введен налог на водопользование, наблюдается тенденция увеличения цен на гидроресурсы. Последующие этапы этого реформирования невозможны без разработки, подготовки и проведения соответствующих материально-технических мероприятий, в частности, инвентаризации потребителей воды и собственников жилья и предприятий, повышения тарифов, разделения их для питьевой и технической воды, повсеместного учета потребления воды с помощью счетчиков воды. В связи с этим резко возрастает интерес к средствам измерения расхода и объема холодной и горячей воды.

Развитию и совершенствованию производства счетчиков воды (СВ) на российских предприятиях способствуют не только растущие потребности рынка и развитие жилищно-коммунальной реформы, но и возникшая конкуренция между производителями соответствующих средств измерений и контроля, а также открывшийся доступ к элементной базе всемирно известных производителей.

Обзор современного состояния на рынке расходомеров и счетчиков воды сделан в работе [4]. В ней отмечается, что бурное развитие рынка средств измерений расхода и объема обусловлено, прежде всего, потребностью измерений объема воды для осуществления финансовых расчетных операций. Кроме того, объем воды контролируется при потреблении из поверхностных и подземных источников, при реализации холодной и горячей воды, а также при сбросе воды после использования. Если вода используется в качестве теплоносителя, измерение ее объема и массы осуществляется для контроля потребления теплоты. Помимо расчетных операций, системы измерений количества воды находят широкое применение для контроля технологических процессов в промышленности, коммунальном и сельском хозяйстве. Технологический контроль расхода воды необходим для управления такими процессами как транспортировка воды, водоподготовка, теплообмен, дозирование. Системы измерений расхода и объема воды применяются также для оценки эффективности функционирования различных сооружений, установок и аппаратов, а также диагностики их неисправностей.

В Государственном реестре средств измерений количество типов приборов для измерений расхода и объема воды исчисляется уже сотнями. Среди производителей отечественных счетчиков воды следует выделить фирму «БЕТАР», созданную на базе Чистопольского машиностроительного завода, Арзамасский приборостроительный завод, ПО «ТОЧМАШ» (г. Владимир), ПО «ПРИБОЙ» (г. Таганрог), АО «ТЕПЛОВОДОМЕР» (г. Мытищи), ЗАО НПО «ПРОМПРИБОР» (г. Калуга), Краснодарский ЗИП, Уфимский приборостроительный завод, фирму «ВОДОУЧЕТ % - ВЕРЛЕ» (г. Москва), ОАО «Завод ВОДОПРИБОР», фирму «ЦЕННЕР - ВОДО-ПРИБОР» и ряд других предприятий. Однако высококачественных отечественных приборов не так много, а хорошие импортные приборы стоят дорого.

Появлению средств измерений низкого качества способствует несовершенство нормативной базы и отсутствие у большинства производителей желания выполнять исследовательские и испытательные работы, так как они требуют привлечения высококвалифицированных специалистов и существенных временных затрат, что ведет к увеличению себестоимости продукции. Эти пробелы в больФ шинстве случаев возмещаются недобросовестной рекламой.

Произвести оценку качественных характеристик счетчиков воды потребителю непросто. Прошло то время, когда его волновала только работоспособность счетчиков. Под влиянием требований рынка среди производителей разворачивается борьба за улучшение метрологических характеристик приборов.

Основным критерием для оценки систем измерений объема воды является У) достоверность получаемой информации, которая, в свою очередь, определяется надежностью работы систем и метрологическими характеристиками (МХ) используемых средств измерений. Важно отметить, что оценивать эти характеристики следует применительно к реальным условиям эксплуатации, т.к. высокая точность прибора, указанная в паспорте или рекламном проспекте, часто задается для условий, обеспечить которые на реальных объектах невозможно. Именно это и является одной из основных причин скрытого от потребителя несовершенства некоторых средств измерений.

Как уже отмечалось, СВ являются хорошо известными и давно разрабатываемыми приборами. Принципы действия СВ основаны на разных физических методах, каждый из которых имеет свои особенности. Самым распространенным типом СВ являются тахометрические приборы, представленные крыльчатыми и турбинными счетчиками, имеющими достаточно большой диапазон при измерении холодной и горячей воды и низкую стоимость. К счетчикам такого типа относятся, в частности, многоструйные счетчики воды, поставляемые на российский рынок фирмой «ВОДОУЧЕТ - ВЕРЛЕ», турбинные счетчики ОАО «Завод «ВОДОПРИ-БОР» (г. Москва), счетчики холодной и горячей воды типа «Алексеевский», производимые фирмой «ЦЕННЕР-ВОДОПРИБОР» (г. Москва), и т.д. (Принцип действия, устройство, основные технические и метрологические характеристики счетчиков воды на примере счетчиков типа «Алексеевский» будут рассмотрены далее в Главе 1).

Уже говорилось, что в условиях конкуренции важнейшую роль приобретает улучшение МХ СВ. В условиях промышленного предприятия выход на заданные метрологические характеристики выпускаемой продукции является важнейшей задачей метрологического обеспечения производства.

Как известно (см., например, [5]), под метрологическим обеспечением понимают установление и применение научных и организационных основ, технических средств, правил и норм, необходимых для достижения единства и требуемой точности измерений. Научной основой метрологического обеспечения является метрология - наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности. При этом один из разделов метрологии - законодательная метрология - изучает организационно-методические проблемы метрологического обеспечения, устанавливает правила и нормы достижения единообразия средств измерений, единства и требуемой точности измерений.

Если обратиться к проблемам метрологического обеспечения производства СВ, то необходимо отметить две основные особенности, характерные для этой области метрологической деятельности в настоящее время.

С одной стороны, в силу многолетней истории производства и эксплуатации этих средств измерений соответствующая нормативная база в виде совокупности стандартов, в том числе и международных, формулирующих необходимые технические требования в виде методик испытаний и поверки, давно разработана в объеме, достаточном для успешного производства счетчиков и выхода на требуемые МХ.

С другой стороны, если обратиться к содержанию этой нормативной базы, то видно, что большинство нормативных документов было разработано 15-20 лет назад, например, ГОСТ 6019 - 83 «ГСИ. Счетчики холодной воды крыльчатые. Общие технические условия» или ГОСТ 8.156-83 «ГСИ. Счетчики холодной воды. Методы и средства поверки». За это время технология изготовления СВ претерпела серьезные изменения, в частности, за счет использования новых материалов и широкого внедрения автоматизации. Разработаны новые средства измерений и контроля как самих технологических процессов, так и МХ СВ. В условиях увеличения объемов производства ужесточились требования к оперативности и надежности контроля МХ. Все это еще не нашло должного отражения в существующей нормативно-технической документации. И даже если нормативные документы пересматривались, то в ряде случаев недостатки устаревшей нормативной базы перекочевали в эти «новые» документы. В качестве примера можно назвать МИ 1592 - 99 «ГСИ. Счетчики воды крыльчатые. Методика поверки», при использовании которой возникает ряд вопросов, касающихся научного обоснования и целесообразности некоторых рекомендаций.

Основные проблемы в области метрологического обеспечения производства и эксплуатации СВ обозначены в работах [6,7]. Уже имеющийся опыт производства и эксплуатации СВ показывает, что требуется, в частности, научное обоснование и, возможно, пересмотр такой важной характеристики как межповерочный интервал. В связи с возросшими объемами производства возникла проблема оперативного определения и контроля некоторых МХ СВ, непосредственно связанных с их метрологическим классом. Возникла необходимость привлечения таких методов поверки, как метод сличения СВ и их выборочной поверки для сопоставления МХ поверочных установок и рабочих счетчиков, контроля этих характеристик для СВ в процессе эксплуатации и повышения оперативности такого контроля. Требуют научного обоснования принципы учета МХ СВ и при взаиморасчетах между поставщиками и потребителями воды. Эта проблема характерна для всего жилищно-коммунального комплекса и в большинстве случаев замыкается на необходимость учета МХ СВ.

Из сказанного следует, что вопросы и рекомендации, рассмотренные и предложенные в диссертации, являются актуальными, и их разработка и исследование вызваны насущными и реальными проблемами, стоящими перед производителями счетчиков воды и организациями, эксплуатирующими эти средства измерений.

Таким образом, возникает важная научно-техническая задача разработки, исследования, научного обоснования, а также уточнения ряда методов и средств метрологического обеспечения производства (МОП) и эксплуатации СВ. Решению этой задачи посвящена предлагаемая диссертационная работа.

Цель и основные задачи работы.

Целью диссертационной работы является разработка и исследование методов и средств МОП и эксплуатации СВ, а также исследование влияния их МХ на учет воды в сфере жилищно-коммунального комплекса.

Для достижения поставленной цели в диссертации решены следующие научные задачи:

1. Проведен анализ существующих методик назначения межповерочного икгер-вапа с целью выбора научно обоснованной методики назначения этого интервала с учетом опыта эксплуатации СВ. Экспериментально исследована зависимость погрешности измерения объема воды с помощью СВ от суммарного объема прошедшей через счетчик воды с целью использования этой зависимости в дальнейшем для обоснования значения межповерочного интервала.

2. На примере СВ проведено экспериментальное исследование методики сличения счетчиков и показана эффективность использования этой методики для контроля МХ СВ в условиях эксплуатации.

3. Проведено экспериментальное обоснование метода выборочной поверки СВ для повышения оперативности контроля МХ счетчиков в условиях эксплуатации.

4. Разработано и экспериментально исследовано устройство измерения времени выбега для СВ. Экспериментально апробирована методика оперативного назначения и контроля метрологического класса СВ, основанная на измерении времени выбега.

5. Обоснованы принципы учета метрологических характеристик счетчиков воды при взаиморасчетах между поставщиками и потребителями воды в сфере жилищно-коммунального комплекса.

6. Разработан комплекс стандартов организации по метрологическому обеспечению производства и эксплуатации СВ типа «Алексеевский» на фирме «ЦЕН-НЕР-ВОДОПРИБОР» как подсистемы системы управления качеством.

Научная новизна.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. С привлечением методов теории метрологической надежности, на основании анализа статистических данных по нестабильности метрологических характере ристик счетчиков воды и данных по многолетней их эксплуатации проведено научное обоснование межповерочного интервала (МПИ) для этих средств измерений.

2. Показано, что более корректным, по сравнению с зависимостью погрешности СВ от времени эксплуатации, для получения интересующих производителей и пользователей СИ оценок МПИ является использование зависимости погрешности от значений измеренного счетчиком объема прошедшей через него воды, поскольку в этом случае появляется явная возможность учесть режимы расхода, при которых работает счетчик.

3. Для сопоставления МХ СВ и их контроля в процессе эксплуатации применен метод сличения счетчиков и экспериментально исследованы его возможности и условия применимости.

4. Экспериментально исследован метод выборочной поверки для контроля МХ СВ и показано, что если результаты выборочной поверки удовлетворяют соответствующему критерию, то их можно распространить на партию приборов, превышающую по количеству на один - два порядка поверенную партию, что в условиях массового производства приводит к существенной экономии временных и финансовых затрат на поверку и контроль МХ этих приборов.

5. Разработаны устройство и методика оперативного отнесения СВ к соответствующему метрологическому классу, основанная на измерении с помощью разработанного устройства времени выбега, т.е. на измерении интервала времени между моментом снятия внешнего воздействия со счетчика и моментом его полной остановки. Проведены экспериментальные исследования, показавшие эффективность использования разработанной методики для контроля МХ СВ.

6. Дано научное обоснование метода учета МХ СВ при взаиморасчетах между поставщиками и потребителями воды в жилищно-коммунальном комплексе, основанного на введении корректирующих поправок, зависящих от МХ используемых средств измерений, в показания счетчиков как поставщиков, так и потребителей воды, позволяющих свести соответствующий баланс.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Межповерочный интервал для счетчиков воды может быть установлен на основании комплексного подхода с использованием статистических данных о нестабильности их МХ и данных по среднему сроку службы, полученных по результатам их многолетней эксплуатации.

При контроле МХ СВ более корректным, по сравнению с общепринятым, является использование зависимости средневзвешенной погрешности от прошедшего через счетчик объема воды. На основании проведенных экспериментальных исследований по метрологической надежности счетчиков воды типа «Алексеевский» зависимость средневзвешенной погрешности от времени эксплуатации оказывается отличной от соответствующей зависимости, приведенной в МИ 1592 - 99 «ГСИ. Счетчики воды крыльчатые. Методика поверки».

2. Методика сличения МХ СВ позволяет производить их оперативный контроль, при этом расхождение между погрешностями, оцененными по методике, и погрешностями, полученными непосредственно на поверочной установке, не превышает 0,03%. Эта методика может в дальнейшем использоваться как методика поверки и испытаний счетчиков жидкости и газа на базе реальных технологических трубопроводов без применения традиционных средств поверки и испытаний.

На основании проведенных экспериментальных исследований показано, что методика сличения может быть использована и для контроля МХ расходомеров, при этом ее применение для этих средств измерений имеет особенности, обусловленные необходимостью усреднения результатов измерений, что вносит соответствующую погрешность в эти результаты. Эта погрешность может быть оценена и минимизирована с помощью вычисления в каждом конкретном случае глубины автокорреляции.

3. Замена сплошной поверки СВ на выборочную поверку с использованием соответствующего критерия в условиях массового производства приводит к существенной экономии временных и финансовых затрат на поверку и контроль метрологических характеристик этих приборов.

4. Для оперативного отнесения счетчиков воды к соответствующему метрологическому классу может быть использован метод измерения времени выбега, при этом для обоснования методики может быть использован экспериментальный способ, основанный на анализе статистики по измерению с помощью специально разработанного устройства времени выбега как для гидравлической, так и для индикаторной части счетчиков известного метрологического класса. Экспериментальные данные по измерению времени выбега позволяют определить кинематические коэффициенты счетчиков и момент сил трения, действующий на их крыльчатки.

5. Для решения проблемы небаланса в случае, когда учет воды ведется как по домовому, так и по квартирным счетчикам может быть использован метод внесения корректирующих поправок в показания счетчиков для проведения взаиморасчетов между поставщиками и потребителями воды в сфере жилищно-коммунального комплекса.

6. Разработанный комплект стандартов предприятия образует основу подсистемы метрологического обеспечения производства и эксплуатации счетчиков воды общей системы управления качеством на предприятии.

Практическая ценность работы.

Такие результаты диссертационной работы как методы группового сличения и их выборочной поверки, метод оперативного отнесения счетчиков воды к метрологическому классу В, основанный на измерении выбега, и подсистема метрологического обеспечения производства внедрены в полном объеме на фирме «ЦЕННЕР - ВОДОПРИБОР» при производстве и эксплуатации счетчиков воды типа «Алексеевский». Система управления качеством на фирме сертифицирована в мае 2004 г. Л

Апробация результатов работы и публикации.

Диссертационная работа на разных стадиях ее выполнения докладывалась и обсуждалась на:

- II - й Всероссийской научно-технической конференции «Метрологическое обеспечение учета энергетических ресурсов», Сочи, 2001г.;

- 12-й научно-практической конференции «Совершенствование измерений расхода жидкости, газа и пара», С. - Петербург, 2002;

- научном семинаре «Энергосбережение на предприятии» в Государственной академии повышения квалификации и переподготовки для строительства и ЖККА России, п. Красково, 2002 ;

- научном семинаре в отделе «Метрологическое обеспечение учетных операций» ВНИИ метрологической службы (2001- 2003 г.г.);

- V - й Всероссийской научно-технической конференции «Метрологическое обеспечение учета энергетических ресурсов», Звенигород, 2003 г.

Счетчики воды, производимые фирмой «ЦЕННЕР - ВОДОПРИБОР», неоднократно выставлялись на отечественных и зарубежных выставках и награждались грамотами и дипломами такими как юбилейная грамота Государственного комитета РФ по строительной, архитектурной и жилищно-коммунальной политике, 1999 г.; диплом «УРАЛСТРОЯ» в номинации «Архитектура и градостроительство» за широкое применение в жилищном строительстве разработанного оборудования, Уфа, 1999 .г.; диплом участника выставки «Сургут. Нефть и газ - 99, Энергетика -99» за передовые конструкции и технологии в области энергоснабжения; диплом международной выставки «Экспоград» за лучшие экспонаты, г. Кемерово, 2001 г.; почетный диплом Международной выставки «Всероссийская марка (III тысячелетие). Знак качества XXI века». Москва, ВВЦ, 2001 г.; свидетельство о Золотом знаке «Всероссийская марка (III тысячелетие). Знак качества XXI века». Постановление № 96 от 19.12.2001 г.; диплом победителя конкурса «1000 предприятий России - 2001». За высокую деловую активность и эффективную деятельность по итогам работы в 2001 г. Вторая Всероссийская акция «Покупайте российские товары»; диплом участника выставки «Вода: экология и технология», ЭКВАТЭК -2002, Москва, и т.п. (более 20 грамот, дипломов и свидетельств).

По материалам, вошедшим в диссертацию, опубликовано 8 печатных работ. Список публикаций приведен в конце раздела «Введение».

Содержание работы.

Как было сказано выше, основные задачи, решаемые в диссертации, сводятся к научному обоснованию такой характеристики счетчика воды как межповерочный интервал, к проблеме оперативного определения и контроля МХ СВ, непосредственно связанных с их метрологическим классом, к необходимости привлечения таких методов поверки, как метод сличения СВ и их выборочная поверка, к научному обоснованию принципов учета МХ СВ при взаиморасчетах между поставщиками и потребителями воды. Решение перечисленных задач составляет содержание диссертации.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитированной литературы.

Основные результаты диссертационной работы сводятся к следующему:

1. На фирме «ЦЕННЕР - ВОДОПРИБОР» при производстве счетчиков воды типа ^ СХ (СХИ), СГ (СГИ) «Алексеевский» внедрены ряд приспособлений оригинальной конструкции собственной разработки: сборочные верстаки, монтажные плиты, испытательные стенды, устройства оперативного контроля метрологических характеристик счетчиков, поверочная установка и т.п., обеспечивающие высокое качество выпускаемых счетчиков.

2. При назначении межповерочного интервала для счетчиков воды предложен комплексный подход, основанный как на статистических данных по нестабильности МХ, так и на использовании опытных данных по времени наработки на метрологический отказ, полученных на основе многолетней эксплуатации СВ. Кроме того, вместо обычно используемой зависимости погрешности СВ от времени их эксплуатации предлагается использовать зависимость этой погрешности от прошедшего через счетчик объема воды. Такая зависимость более корректно учитывает условия эксплуатации счетчиков, поскольку позволяет ввести в рассмотрение режимы расхода, при которых работают СВ.

Показано, что значение МП И для счетчиков холодной воды типа «Алексеевский», равное 6 годам, находится в соответствии с требованиями теории метрологической надежности и с экспериментальными данными по их метрологической нестабильности.

3. Экспериментальное исследование методики сличения счетчиков воды показало, что эта методика позволяет производить оперативный контроль МХ

Н этих счетчиков. При этом расхождение между погрешностями, оцененными по методике, и погрешностями, полученными непосредственно на поверочной установке, не превышает 0,03%. Эта методика может в дальнейшем использоваться как методика поверки и испытаний различных типов счетчиков жидкости на базе реальных технологических трубопроводов без применения традиционных средств поверки и испытаний. Экспериментально показано, что методика сличения может быть использована и для контроля МХ расходомеров.

4. Показано, что если вместо сплошной поверки счетчиков воспользоваться результатами их выборочной поверки и если эти результаты удовлетворяют соответствующему критерию, то в условиях массового производства это приводит к существенной экономии временных и финансовых затрат на поверку и контроль МХ этих приборов.

5. Совместно с заводом «ЭЛЕКС» (г. Александров) разработано устройство для определения метрологического класса счетчиков воды, действие которого основано на измерении времени выбега. При экспериментальных исследованиях по определению метрологического класса счетчиков предложен метод установления связи между этим классом и значениями времен выбега для индикаторных механизмов и гидроузлов и метрологическим классом счетчика способом от «обратного». Полученные расчетно-экспериментальные оценки граничных значений времен выбега, полного числа оборотов за время выбега для гидроузлов и индикаторных механизмов, отвечающих различным расходам работы счетчиков воды метрологического класса В, позволили определить области значений этих величин, знание которых дает возможность производить оперативное отнесение производимых счетчиков к этому метрологическому классу, не прибегая к процедуре поверки.

6. Для нахождения ряда технических и метрологических характеристик гидроузлов счетчиков воды развита теория, основанная на анализе решения уравнения движения крыльчатки гидроузла после прекращения на нее внешнего воздействия. Введено понятие кинематического коэффициента счетчика. Измерения времен выбега и полного числа оборотов за время выбега на счетчиках воды позволили определить такие характеристики счетчиков как их кинематические коэффициенты, коэффициенты зависимости момента сил трения покоя от числа оборотов счетчика и граничные значения времени выбега (полного числа оборотов за время выбега), отвечающие разным режимам расхода для счетчиков метрологического класса В, а также произвести оценку момента сил трения покоя, действующих на ее ось вращения в воздушной среде. Понятие эквивалентной крыльчатки дает возможность применить развитую теорию для оценки технических характеристик индикаторного механизма счетчиков воды.

7. Предложен метод сведения баланса между поставкой и потреблением воды, основанный на введении корректирующих поправок, пропорциональных значению небаланса и обратно пропорциональных суммарной абсолютной погрешности используемых средств контроля, при условии, что эти поправки не превышают допускаемые абсолютные погрешности средств контроля. Метод сведения баланса апробирован на модельной ситуации водоснабжения жилого дома, воспроизведенной на поверочной установке типа ЦРВ - 40. Апробация показала пригодность разработанного метода, который может быть использован для проведения взаиморасчетов между поставщиками и потребителями воды в жилищно-коммунальном комплексе.

8. На фирме сформулирована политика в области качества, а сама система управления качеством документирована в виде комплекта из 21 стандартов организации и сертифицирована. Разработана подсистема метрологического обеспечения производства счетчиков воды, которая включает в себя почти все традиционные виды метрологической деятельности на предприятии.

Автор отдает дань глубокого уважения светлой памяти безвременно ушедшего научного руководителя работы главного научного сотрудника ВНИИМС, доктора технических наук, профессора |Асташенкова А.И.| Автор также выражает глубокую благодарность и признательность старшему научному сотруднику ВНИИМС, кандидату технических наук Данилову М.А. за постоянную помощь в постановке измерительных задач, внимание к работе и многочисленные обсуждения; начальнику сектора ВНИИМС, доктору физико-математических наук Кудеярову Ю.А. за консультации, а также всем сотрудникам фирмы «ЦЕННЕР-ВОДОПРИБОР», без самоотверженного труда которых было бы невозможно появление этой работы.

Заключение

1. Е.И. Пупырев. Перспективы модернизации систем водоснабжения и водоотве-дения в России. В сборнике статей: Проекты развития инфраструктуры города.

2. Выпуск 1. Технологические аспекты решения экологических проблем городскойсреды. М., Издательство Прима - Пресс - М.; 2001,114 - 125.

3. Техническое описание водомеров. Москва, АО «Русский завод водомеров», 1903.

4. Ф.А. Данилов. Водопроводы русских городов. Москва, Издание постоянного бюро русских водопроводных съездов, 1911.

5. В.И. Мясников. Измерения расхода и объема воды. Мир измерений. № 3 4, 2001,4-9.

6. Е.Л. Перельштейн. Метрологическая служба промышленного предприятия. -М.; Издательство стандартов, 1982. -192 с.

7. О. С. Степанов. Разработка системы метрологического обеспечения учета воды в сфере жилищно-коммунального комплекса. Сообщения II Всероссийской научно-технической конференции «Метрологическое обеспечение учета энергоресурсов», т.2, Сочи, 2001 г., стр. 42

8. А.И. Асташенков, О.С. Степанов. Совершенствование системы метрологического обеспечения учета воды в сфере жилищно-коммунального комплекса. -Измерительная техника, № 3, 2002, 57 59.

9. МИ 1832 88. «ГСИ. Сличения групп средств поверки одинакового уровня точности. Основные правила».

10. П.П. Кремлевский. Расходомеры и счетчики количества. Л.; Машиностроение, 1989. -776 с.

11. Н 10. И.В. Андронов. Измерение расхода жидкостей и газов. М.; Энергоиздат, 1981. -86 с.

12. МИ 2634 2001 «ГСИ. Расход и количество жидкостей и газов. Методика определения допускаемого диапазона измерений и метрологических характеристик измерительных комплексов с сужающими устройствами».

13. МИ 2838 2001 «ГСИ. Диафрагмы камерные и бескамерные, устанавливаемые во фланцевых соединениях измерительных трубопроводов. Методика контроля размеров при первичной и периодической поверке измерительных комплексов с сужающими устройствами».

14. МОЗМ МР 49 -1-2000 Международная рекомендация. Счетчики воды, предназначенные для измерения холодной питьевой воды. Часть 1. Метрологические и технические требования

15. Методические указания. ГСИ. Счетчики холодной и горячей воды СХ (СХИ) -«Алексеевский» и СГ (СГИ) «Алексеевский». Методика поверки МП РТ - 487 — 98.

16. В.А. Кузнецов, Г.В. Ялунина. Общая метрология. М.; Изд-во стандартов, 2001. -270 с.

17. МИ 1592 99 «ГСИ. Счетчики воды крыльчатые. Методика поверки»

18. ГОСТ 8.565 99 «ГСИ. Порядок установления и корректировки межповерочных интервалов эталонов»

19. МИ 2187 92 «ГСИ. Методы определения межповерочных и межкапибровоч-ных интервалов средств измерений»

20. МИ 2594 2000 «ГСИ. Теплосчетчики и счетчики количества теплоносителя. Методика установления и подтверждения межповерочных интервалов»

21. H.H. Рейх, A.A. Тупиченков, В.Г. Цейтлин. Метрологическое обеспечение производства. М.; Изд-во стандартов, 1987 - 248 с.

22. ГОСТ 8.470 82 «ГСИ. Государственная поверочная схема для средств измерений объема жидкости»

23. ГОСТ 8.510 84 «ГСИ. Государственная поверочная схема для средств измерений (счетчиков) объема жидкости»

24. Е.Ф. Долинский. Обработка результатов измерений. М.; Изд-во стандартов, 1973. -192 с.

25. Б.В. Бирюков, М.А. Данилов, С.С. Кивилис. Средства испытаний расходомеров.- М.; Энергоатомиздат, 1983. -112 с.

26. A.C. Немировский. Вероятностные методы в измерительной технике. М.; Изд-во стандартов, 1964. - 216 с.

27. ГОСТ 20736 75 «Качество продукции. Статистический приемный контроль по количественному признаку при нормальном распределении контролируемого параметра»

28. МИ 2306-94 «ГСИ. Требования к проведению выборочной поверки счетчиков воды и газа»

29. ГОСТ Р 50193.1 92 «Измерение расхода воды в закрытых каналах. Счетчики холодной питьевой воды. Технические требования»

30. Результаты мониторинга водопотребления в жилом доме. Челябинск, ООО «ЭКОМЕТ-2», 2001 г. (частное сообщение)

31. Р.Бадо, С. Ламанд. Итог восьмилетнего управления водомерным хозяйством в городском округе Нанси. Techniques, sciences, methodes - L'eau, 161 - 168, 1987.

32. A.Л. Пятов. Организация внутренних проверок качества в условиях перехода к процессному управлению системами качества. Главный метролог, №№ 2,3,4, 2001.

33. ГОСТ Р ИСО 9000 2001. Системы менеджмента качества. Основные положения и словарь.

34. ГОСТ Р ИСО 9001 2001. Системы менеджмента качества. Требования.

35. ГОСТ Р ИСО 9004 2001. Системы менеджмента качества. Рекомендации по улучшению деятельности.

36. Менеджмент систем качества. Учебное пособие М.; Изд-во стандартов, 1997, -368 с.

37. СанПиН 2.1.4.1074-01 Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем водоснабжения. Контроль качества.