Способ определения расхода и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к расходометрии и позволяет повысить точность измерения расхода при использовании расходомеров переменного перепада давления.Увеличивают расход вещества на калиброванную величину и запоминают полученное значение перепада давления на сужающем устройстве. Затем уменьшают суммарный расход вещества в заданное число раз и вновь запоминают значение перепада давления. После этого прекращают калиброванный дополнительный расход вещества, а величину расхода подсчитывают по формуле. 2 с.п.ф-лы, 1 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)з G 01 F 1/34

ГОСУДАРСТВЕННО КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

0 =0,01252 аале 0 (г) К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4685207/10 (22) 09,02.89 (46) 07.10.91, Бюл. М 37 (71) Киевский технологический институт легкой промышленности (72) IO,А.Скрипник, Г.В.Юрчик и В.И.Водотовка (53) 681.121 (088.8) (56) Промышленные приборы и средства asтоматизации. Справочник, Под ред. В.В.Черенкова. Л.: Машиностроение, 1987; с.132.

Шевцов Е.К. Справочник по поверке и наладке приборов. Киев: Техника, 1981, с.134.

Изобретениеотносится к областиизмврения расхода жидких и газообразных веществ путем пропускания их через измерительное устройство непрерывным потоком и может быть использовано для повышения точности расходомеров переменного перепада давления, находящихся в непрерывной эксплуатации.

Цель изобретения — повышение точности измерения.

Сущность способа измерения расхода жидких и газообразных веществ заключается в следующем.

Объемный расход жидкости, протекающей через сужающее устройство, определяется зависимостью

0 =0,01252 ае m D — (Р1 — Р2 ) (1)

Р

) а весовой расход

SU („, 1682795 А1 (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАСХОДА И

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ф7) Изобретение относится к расходометрии и позволяет повысить точность измерения расхода при использовании расходомеров переменного перепада давления. Увеличивают расход вещества на калиброванную величину изапоминают полученное значение перепада давления на сужающем устройстве. Затем уменьшают суммарный расход вещества в заданное число раэ и вновь запоминают значение перепада давления. После этого прекращают калиброванный дополнительный расход вещества, а величину расхода подсчитывают по формуле. 2 с,п.ф-лы, 1 ил.

rye а — коэффициент расхода, зависящий от Rg в.ламинарной области и не зависящий в турбулентной; а- коэффициент расширения, причем для капельной жидкости

a - 1, а для паров и газов еФ 1; 2

m - — — модуль сужающего устрой02. ства; р- плотность среды в сечении перед входом патока в отверстие диафрагмы;

Р1 и P2 — давление в трубопроводе до диафрагмы Й. давление за диафрагмой соответственно;

0 — диаметр трубопровода.

Выходной сигнал дифмэнометра при измерении, например, обьемного расхода. исходя из выражения (1), равен !

1682795

i — ) — — —...ю

К1 О (0,01252 adam D )

5 где К1 — коэффициент преобразования перепада давления в электрический сигнал.

Как видно из (3), расход вещества и перепад давления на сужающем устройстве связаны квадратичной зависимостью, и градуировочная характеристика расходо мера имеет вид параболы. В окрестности рабочей точки характеристики, задавав;мой значением измеряемого расхода О1, участок параболы заменим касательной, уравнение которой

7=a+ S Q, (4) о 2 К1Q (0,01252 а е m 0 дифференциальная чувствительность диф- 20 манометра-расходомера; а —.нулевой коэффициент, определяющий, положение касательной относительно нуля градуироночной характеристики.

Из-за нестабильности параметров су- 25 жающего устройства (a, e, м, 0) в процессе эксплуатации, непостоянства плотности среды и погрешностей дифманометра происходит неконтролируемое смещение и поворот аппроксимирующей касательной 30 о носительно начального положения в момент градуировки. С учетом погрешностей преобразования для значения Q =Q1 имеем

Z1=S1(1+ у1)О1+а1+ ä1, (5) 35 где S1 — дифференциальная чувствительность, соответствующая расходу Q1;

ЛЯ1

71 = 51 — относительная мультипликативная погрешность преобразования 40 (погрешность чувствительности), вызываемая, изменением наклона аппроксиМирующей ка сательной; д = Л 01 - абсолютная аддитивная погрешность преобразования (погрешность нуля ), вызываемая смещением аппроксимиру 45 . ющей касательной относительно нуля градуироночной характеристики.

По данному способу вначале измеряют и запоминают сигнал (обычно в цифровой форме) Z1, Затем увеличивают расход веще- 50 ства на калиброванное значение ЛО0, которое выбирают из условия изменения выходного сигнала Z на величину, превышающую на порядок его среднеквадратическое отклонение (СКО)

Z2 = S11(1+ y1)(Q1+ Л О0) + а1 + д1, (6) где S1 — дифференциальная чувствитель1 ность, соответствующая увеличенному значению измеряемого расхода;

1 1 1 и д1 — погрешности преобразования измеряемого расхода.

Отклонения в измеряемом сигнале носят случайный характер и вызываются флюктуационными процессами в жидкости и газе, проходящих через сужающее устройство, и электрическими шумами и помехами, сопутствующими измерительные преобразования, Максимальная случайная погрешность измерения

ЛЕ...,. =pvYz (7) "г -Z1 = 10 1 (Е (9)

Полагая чувствительность и погрешности в окрестностях рабочей точки неизменными ($1=S1, у1 =у1,д) =д1 ) из выражения (9) с учетом (5) и (6) имеем

10 д 2

4Оов

- S1 (10) где д2 - дисперсия измеряемого сигна2 ла. Измеряют и запоминают сигнал Z2, соответствующий увеличенному расходу. Далее уменьшают суммарный расход вещества (О1+Л Оо) через сужающее устройство в заданное число раз, близкое к единице. При этом выходной сигнал дифманометра-расходомера становится равным

Ез-$1(1+ у 1)д(01+ ЛОо)+ а1" +д1, (11) где ц<1 - коэффициент шунтирования потока.

Коэффициент д также выбрают из условия

22-гз - 10 ЯЕ (12)

Полагая чувствительность и погрешности неизменными в окресностях рабочей точки, получаем

2 где д Š— дисперсия случайных отклонений;

P — коэффициент, связывающий CKO c максимальной погрешностью и зависящий от доверительной вероятности, Так, при нормальном законе распределения случайных отклонений от среднего значения и вероятности Р = 0,.997 коэффициентф =3.

Для обеспечения достоверности измерения и запоминания Z1сучетомдействия других дестабилизирующих факторов коэффициентР выбирают с определенным запасом

10 <Р (8)

В соответствии с условием (8) и соотношением (7) калибрования изменение расхода выбирают из равенства

1682795 (13)

Измеряют и запоминают сигнал 2з, который соответствует уменьшенному значению расхода у (01+ЛОо). Изменяют первоначальный расход вещества в трубопроводе прекращением дополнительного расхода(Л Ов= 0). Уменьшившемуся значению расхода соответствует сигнал

Z4=S»+y>)qQi+a<+Bi, (® где S1 - дифференциальная чувствительность, соответствующая уменьшенному значению расхода;

/// /// у1 и д1 - погрешности преобразования уменьшенного расхода 0>.

При малых изменениях измеряемого расхода (ЛCb <, r =1) все четыре измерения происходят в окрестностях рабочей точки 0 =0>. -Погрешности преобразования у и д являются медленно меняющимися функциями времени. Поэтому ва всех четырех измерениях, производимых достаточно быстро, можно считать, что погрешности одинаковые (у1 =pi=/< =p; ät =д1 =

=d> = д1 ),а чувствительности равны (S> =

Si = Si W>). Совместным решением уравниваний (5), (6), (11) и (14) получают расчетное соотношение для определения искомого расхода вещества.

Таким образом, определение расхода по формуле не зависит от дифференциальной чувствительности расходомера $1 и нулевого коэффициента а, которые в процессе длительной эксплуатации расходомера могут существенно изменяться как вследствие изменения состояния сужающего устройства, изменения плотности среды, так и от изменения коэффициента преобразования дифманометра. При этом линеаризуется зависимость между измеряемым расходом 0 и его калиброванным изменением Л Q . Иэ результата измерения,исключена мультипликативная (у ) и аддитивная (д ) составляющие погрешности преобразования измеряемого расхода вещества.

При обеспечении станцианарного характера движения потока вещества в трубопроводе и установившемся значении . расхода, т,е. при Z = f (О г) = const, где ю.интервал времени. необходимый для реализации алгоритма, точность измерения по предлагаемому способу определяется погрешностью формирования даполнительно5

15 го расхода Л О„ « Qx. Современные задатчики расхода жидкости (шестеренные, дозировочные насосы) или газа (стабилизаторы расхода газа) позволяют задавать малые,расходы ЛОо с предельной погрешностю 0,5 . Использование многоразрядных аналого-цифровых преобразователей обеспечивает относительную погрешность преобразования результатов Z<, 5, гз и 24 не более (10 -10 з) 7,, При усреднении случайных составляющих погрешностей промежуточных преобразований предлагаемый способ обеспечивает суммарную погрешность измерения расхода не более

0,5, При изменении расхода до значения

Q = Qz изменяется соответственно и выходной сигнал дифманометра

20 71= 52(1 +щ ) Ог + аг +дг (15) где Sz -дифференциальная чувствительность при расходе Ог;

1/г и дг — погрешности преобразования разности давления в электрический сиг25 нал

Организуя три дополнительных измерения по аналогии с (6), (11) и (14) в окрестностях новой рабочей точки 0 = Qz,можно определить действительный расход, независимый от погрешностей уг и bz также от плотности патока вещества.

Способ позволяет повысить точность измерения, особенно больших расходов, используя в качестве образцовой меры ка35 либрованные малые расходы, а также дает воэможность исключить частые периодические калибровки измерительных каналов расхода при длительной их эксплуатации, а также продлить срок службы сужающих ус40 тройств. Практическая реализация способа достигается с помощью простых устройств и серийных средств измерений, На чертеже приведена структурная схема устройства, реализующего описан45 ный способ.

Устройство для определения расхода веществ содержит трубопровод 1 с установленным в нем сужающим устройством 2, дифференциальный манометр 3, подклю50 ченный посредством линии 4 связи к аналого-цифровому преобразователю (РЦП) 5, соединенному с входом блока 6 вычисления, первый выход которого подключен к индикатору 7, запорный вентиль 8, первый

55 байпас 9 с последовательно установленными в нем насосом 10, накопительной емкостью 11 и задатчиком 12 расхода, второй байпас 13 с установленным в нем клапаном

14, управляющим входом соединенным с

1682795 выходом первого исполнительного механизма 15, второй исполнительный механизм 16, входом подключенный к выходу цифроаналогового преобразователя (ЦАП) 5

17. ,Устройство работает следующим образом, В исходном состоянии по трубопроводу 1 протекает измеряемая среда, На выходе АЦП 5 формируется цифроsoA код Ni = Z1, соответсвующий расходу вещества О>, который поступает в блок 6 вычислителя, где запоминается. Далее в

ЦАП 17 формируется управляющее напряжение, которое воздействует на исполнительный механизм 15, открывающий напорный вентиль 8 байпаса 9, С помощью

Моделирование погрешности преобразования расходомера в пределах 1-10 показало, что погрешность измерения результата, полученная по алгоритму, не превышает 0„5ф,.

55 насоса 10 в накопительую емкость 11 наi нетается текущая по трубопроводу среда.

После наполнения емкости 11 запорный вентиль 8 закрывается и отключается насос 10, Затем по сигналу с выхода блока вычислителя с помощью ЦАП 17 открываЕтся запорный клапан задатчика 12 расхо- 25 да жидкости (или газа) и создается дополнительный, наряду с основным, калиброванный расход Л Оо, Напряжение на выходе дифманометра 3 изменится и будет

Соответствовать цифровому коду Nz=Z2 на 30 выходе АЦП 5, Код й2 запоминается в блоке 6 вычисления, после чего с помощью

ЦАП 17 открывается клапан 14 второго байпаса 13, шунтирующего сужающее устройСтво 2. В результате суммарный расход 35

Вещества до сужающего устройства уменьшится в определенное число раз.

Новому установившемуся напряжению ифманометра будет соответствовать цифовой код Чэ= — Еэ, который также запомина- 40

Йт. Затем перекрывается запорный клапан задатчика 12 расхода вещества и прекращается тем самым дополнительный расход Л Оо. Уменьшившемуся расходу будет соответствовать цифровой код N4=45

- 74, когорый запоминается. С помощью полученных результатов основного и дополнительных преобразований измеряемого расхода Z>, Ег, Ез и Z4, а также известного значения расхода Л Qp вычисляется в соот- 50 еетствии с алгоритмом искомое значение расхода вещества.

Формула изобретения

1. Способ определения расхода, заключающийся в измерении перепада давления на сужающем устройстве и определении расхода по формуле, о т л и ча ю шийся тем, что, с целью повышения точности измерения, после измерения перепада давлений увеличивают расход вещества через сужающее устройство на величину дополнительного калиброванного расхода и вторично измеряют перепад давлений, уменьшают сумарный расход вещества через сужающее устройство в заданное число раэ и снова измеряют перепад давлений, прекращают подачу дополнительного калиброванного расхода и измеряют перепад давлений, при этом величину дополнительного калиброванного расхода и уменьшение в заданное число раз расхода выбирают из условия изменения перепададавлений на порядок большеего среднеквадратичного отклонения, в искомое значение расхода определяют по формуле

Q— у 1 где О - значение искомого расхода; ЛО»-дополнительный калиброванный расход, на который изменяют установившийся расход;

Z< - сигнал на выходе дифманометра, соответствующий текущему установившемуся расходу;

Zz - сигнал на выходе дифманометра, соответствующий измененному расходу на величину дополнительного калиброванного расхода;

Zg - сигнал на выходе дифманометра, соответствующий уменьшенному суммарному расходу через измерительное устройство в заданное число раз;

Z4 - сигнал на выходе дифманометра после прекращения дополнительного калиброванного расхода.

2. Устройство для определения расхода, содержащее сужающее устройство, устанавливаемое в участок трубопровода, дифференциальный манометр, включенный на входе и выходе сужащего устройства, выход дифференциального манометра через аналого-цифровой преобразователь подключен к входу блока вычисления, первый выход которого соединен с индикатор:=, о тл и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерения, в него введены первый байпас с последовательно размещенными в нем запорным вентилем, насосом, накопительной емкостью и задатчиком расхода, второй байпас с размещен1682795

Составитель В,Ярыч

Техред M,Moðãåíòàë

Корректор M.Êó÷åðÿâàÿ

Редактор В.Данко

Заказ 3403 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета.по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва. Ж-35, Раушская наб.. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул,Гагарина, 101 ным в нем клапаном, трехканальный цифроаналоговый преобразователь, подключенный входом к второму выходу блока вычисления, первый и второй исполнительные механизмы, выходы которых подклю- 5 чены к входам управления соответственно клапана и запорного вентиля, а входы соединены соответственно с первым и вторым выходами трехканального цифроаналогового ового преобразователя, третий выход которого подключен к управляющему входу задатчика расхода, причем первый байпас подключен к трубопроводу до сужающего устройства, а второй байпас соединяет вход и выход сужающего устройства.