Способ определения расхода пульсирующего потока газа на магистральном газопроводе и информационно-измерительная система для его осуществления

Изобретения могут быть использованы для оперативного измерения расхода на газоизмерительных станциях (ГИС). В течение цикла измерения с помощью быстродействующих датчиков измеряют переменную составляющую давления перед и после сужающего устройства (диафрагмы). С помощью высокоточных датчиков измеряют усредненные значения давления перед диафрагмой, усредненные значения перепада давлений на диафрагме и температуры с частотой дискретизации, выбранной на основе максимальной частоты в спектре пульсаций газового потока. Определяют переменную составляющую перепада давлений. Восстанавливают полные значения давления перед диафрагмой и перепада давления на диафрагме путем суммирования усредненных значений давления и перепада давления с их переменной составляющей. По полученным полным значениям давления и перепада давления определяют средний квадратный корень из произведения рассчитанных полных значений давления и перепада давлений за цикл измерения, по которому определяют расход пульсирующего потока газа. Изобретения позволяют повысить точность измерения. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретения относятся к газовой промышленности и могут быть использованы для оперативного измерения расхода газа с учетом пульсаций параметров потока, в частности на газоизмерительных станциях (ГИС).

Известен способ измерения расхода газа, основанный на зависимости между перепадом давления и расходом газа при его протекании через сужающее устройство (диафрагму), заключающийся в измерении перепада давлений на сужающем устройстве, давления и температуры перед сужающим устройством и вычислении расхода газа по зависимости между этими параметрами, которая носит квадратичный характер:

(см. Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества. Л., Машиностроение, 1989, с.49).

Однако данный способ имеет недостаток, заключающийся в том, что расход газа на газоизмерительных станциях определяется по усредненным значениям измеряемых параметров (давление и перепад давления), в результате чего не учитываются пульсации потока газа, что в свою очередь отражается на точности измерения расхода газа.

Известен способ измерения расхода газа методом переменного перепада давлений, включающий измерение давления перед диафрагмой, перепада давления на диафрагме и температуры после диафрагмы и определение расхода газа по измеренным значениям указанных параметров потока с помощью известной зависимости:

(см. ГОСТ 8.563.2-97. Измерение расхода и количества жидкостей и газов методом переменного перепада давления. Методика выполнения измерений с помощью сужающих устройств. Межгосударственный совет по стандартизации, метрологии и сертификации. Минск.). К таким системам относятся системы коммерческого учета расхода газа SuperFlou, FowBoss, СПГ, ВРГ и др. В указанном источнике регламентируется вариант измерения расхода по измеренным значениям температуры перед диафрагмой.

В известном способе на суммарную погрешность измерения расхода газа оказывают влияние погрешности определения коэффициента истечения , коэффициента скорости входа Å, поправочного коэффициента на число Рейнольдса , поправочного коэффициента на шероховатость внутренней поверхности измерительного трубопровода , поправочного коэффициента на притупление входной кромки отверстия диафрагмы , поправочного коэффициента на изменение диаметра диафрагмы, вызванное отклонением температуры среды от 20°С , погрешность измерения диаметра отверстия диафрагмы при температуре среды 20°С d₂₀, коэффициента расширения ε, погрешность измерения плотности газа при стандартных условиях , погрешность определения коэффициента сжимаемости газа , перепада давления на диафрагме измерения давления газа перед диафрагмой и измерения температуры газа за диафрагмой

Определение суммарной погрешности измерения расхода газа осуществляется по методике, изложенной в вышеуказанном ГОСТе 8.563.2-97.

Однако указанный способ имеет недостаток, заключающийся в том, что при измерении расхода пульсирующих потоков газа в результаты измерений вносится дополнительная систематическая погрешность. Под пульсирующим потоком газа понимается такой режим течения газа, при котором верхняя граничная частота в спектре пульсаций превышает верхнюю граничную частоту в полосе пропускания средств измерения, что означает фильтрацию высокочастотных составляющих измеряемого сигнала, то есть его усреднение. В действующих информационно-измерительных системах, реализующих известный способ измерения расхода газа с целью уменьшения суммарной погрешности измерения расхода газа используются высокоточные датчики давления, перепада давлений и температуры (приведенная погрешность составляет около 0,1%). Однако, высокая точность измерения параметров потока обычно связана с высокой инерционностью средств измерения и верхняя граничная частота в полосе пропускания таких датчиков значительно ниже верхней граничной частоты в спектре пульсаций, поэтому такие высокоточные датчики производят измерение параметров потока с усреднением. Но в соответствии с нелинейной зависимостью (1) корень квадратный из произведения средних значений давления и перепада давлений отличается от корня квадратного из мгновенных значений Р и ΔР.

Также известен способ измерения расхода газа методом переменного перепада давлений на сужающем устройстве, включающий измерение давления перед диафрагмой, перепада давления на диафрагме и температуры после диафрагмы и определяющий расход газа по известной зависимости (1), позволяющий устранить пульсации потока газа путем увеличения частоты отсчетов параметров потока (давления, перепада давлений и температуры) газа таким образом, чтобы пульсации не вносили дополнительной систематической погрешности при измерении расхода (ГОСТ 8.563.2-97. Измерение расхода и количества жидкостей и газов методом переменного перепада давления. Методика выполнения измерений с помощью сужающих устройств. Межгосударственный совет по стандартизации, метрологии и сертификации. Минск. - п.Г.1.9).

Однако такой способ практически реализовать сложно, так как для этого потребуются быстродействующие датчики давления и перепада давлений. Но высокое быстродействие обычно связано с низкой точностью измерения параметров потока (от 1% до 10%). Поэтому использование таких датчиков в информационно-измерительной системе измерения расхода пульсирующих потоков газа неэффективно, так как приведет к существенному увеличению суммарной погрешности измерения расхода газа, по сравнению с вкладом дополнительной систематической погрешности от пульсаций потоков газа при использовании высокоточных инерционных средств измерения давления и перепада давлений.

Известны системы измерения расхода пульсирующего потока газа, включающие датчик давления перед диафрагмой, датчик перепада давления на диафрагме, датчик температуры после диафрагмы и конструктивные устройства, позволяющие сглаживать пульсации потока газа на газоизмерительных пунктах (см. ГОСТ 8.563.2-97. Измерение расхода и количества жидкостей и газов методом переменного перепада давления. Методика выполнения измерений с помощью сужающих устройств. Межгосударственный совет по стандартизации, метрологии и сертификации. Минск. - с.75).

К таким устройствам относятся балластные емкости, спрямители потоков и гидравлические (акустические) фильтры.

Однако указанные устройства требуют высоких капитальных затрат на изготовление и монтаж на газопроводах. Кроме того, отмеченные конструктивные элементы не устраняют пульсации полностью, а лишь сглаживают их.

Также известна система для измерения расхода пульсирующих потоков газа с коррекцией перепада давления на величину, обусловленную пульсациями параметров газового потока, выполненная на базе высокоточных инерционных датчиков давления перед диафрагмой и перепада давления на диафрагме, подключенных к потоку газа через импульсные трубки и установленных непосредственно в потоке газа, высокоточного датчика температуры перед диафрагмой, блоков коррекции, цифроаналогового преобразования и вычислителя расхода газа (RU №34966, Е21В 47/10, 2003).

Однако такая система способна снизить величину дополнительной систематической погрешности от пульсаций до априорно заданного уровня без учета картины спектрального распределения пульсаций параметров газового потока.

Кроме того, в данной системе должна быть организована жесткая синхронизация, что требует использования дополнительных каналов связи между корректирующим устройством и вычислителем расхода газа, что усложняет техническую реализацию системы. Кроме того, в устройстве коррекции присутствует двойное преобразование - сначала аналого-цифровое, а затем цифроаналоговое, что существенно увеличивает время обработки измерительных сигналов, а следовательно, для обработки быстроизменяющихся сигналов требуется использование технических средств с очень высоким быстродействием. Поэтому процесс технической реализации таких устройств коррекции является весьма трудоемким.

Задачей предлагаемых изобретений является разработка способа измерения расхода пульсирующих потоков газа и системы для его осуществления, обеспечивающих повышение точности измерения расхода газа за счет выбора оптимальной величины дополнительной систематической погрешности, обусловленной пульсациями параметров газового потока, путем реализации принципа восстановления полных значений давления и перепада давления.

Поставленная задача решается тем, что в способе определения расхода пульсирующего потока газа на магистральном газопроводе методом переменного перепада давления на сужающем устройстве, включающем измерение давления перед диафрагмой с помощью высокоточного инерционного датчика, перепада давления на диафрагме с помощью высокоточного инерционного датчика и температуры после диафрагмы с помощью высокоточного датчика с последующим вычислением расхода, согласно первому изобретению предварительно определяют спектральное распределение пульсаций газового потока в газопроводе и на основе максимальной частоты в спектре пульсаций и заданной допустимой погрешности восстановления исходного сигнала выбирают частоту дискретизации измерения параметров, производят измерение переменной составляющей давления перед диафрагмой и после диафрагмы с помощью быстродействующих датчиков, измерение усредненных значений давления перед диафрагмой, усредненных значений перепада давлений на диафрагме и температуры с помощью высокоточных датчиков с выбранной частотой дискретизации в течение выбранного цикла измерения, определяют переменную составляющую перепада давлений путем вычитания из величины переменной составляющей давления перед диафрагмой величины переменной составляющей давления после диафрагмы в точках отсчета, осуществляют восстановление полных значений давления перед диафрагмой и перепада давления на диафрагме путем суммирования усредненных значений давления и перепада давления с их переменной составляющей, по полученным полным значениям давления и перепада давлений определяют средний квадратный корень из произведения рассчитанных полных значений давления и перепада давлений за цикл измерения расхода, по которому с учетом коэффициента расхода, вычисляемого по усредненным значениям параметров потока, определяют расход пульсирующего потока газа, а в информационно-измерительную систему для измерения расхода пульсирующего потока газа на магистральном газопроводе методом переменного перепада давлений, включающую сужающее устройство, высокоточный датчик температуры, высокоточный инерционный датчик измерения усредненного давления перед диафрагмой, высокоточный инерционный датчик измерения усредненного перепада давления на диафрагме, блок аналого-цифрового преобразования и информационно-вычислительное устройство, согласно второму изобретению дополнительно введены быстродействующие датчики переменной составляющей давления перед диафрагмой и после диафрагмы, блок масштабирования и согласования и блок цифровой обработки сигналов, при этом выходы высокоточного датчика температуры, высокоточного инерционного датчика измерения усредненного давления перед диафрагмой, высокоточного инерционного датчика измерения усредненного перепада давления на диафрагме и быстродействующих датчиков переменной составляющей давления перед диафрагмой и после диафрагмы подключены ко входам блока масштабирования и согласования, выходы которого подсоединены ко входам блока аналого-цифрового преобразования, подключенного к блоку цифровой обработки сигналов, выходы которого подсоединены ко входу информационно-вычислительного устройства и управляющему входу блока аналого-цифрового преобразования.

Сущность способа заключается в следующем.

Установлено, что погрешность измерения пульсирующих потоков газа возникает за счет определения расхода газа по усредненным значениям измеряемых параметров потока (давления и перепада давлений), так как в информационно-измерительных системах расхода газа используются высокоточные датчики давления и перепада давлений, обладающие высокой инерционностью. Вычисление подкоренного выражения этих усредненных параметров по зависимости (2) приводит к появлению положительной дополнительной систематической погрешности, так как средний корень квадратный из произведения мгновенных значений давления и перепада давлений отличается от квадратного корня из произведения усредненных значений Р и ΔР. Температура является параметром, инерционные свойства которого сопоставимы с инерционностью средств измерения, поэтому она не вносит дополнительной систематической погрешности в результаты измерения расхода пульсирующих потоков газа.

Остальные величины слабо зависят от пульсаций и оказывают незначительное влияние на суммарную погрешность определения расхода пульсирующих потоков газа по сравнению с величиной дополнительной систематической погрешности, возникающей за счет усреднения пульсирующего давления и пульсирующего перепада давлений.

В основу способа положен принцип восстановления полных значений давления и перепада давлений путем раздельного измерения с последующим суммированием усредненной и переменной составляющей для давления и перепада давлений. Это обеспечивает высокую точность определения полных значений давления и перепада давлений по сравнению с точностью непосредственного измерения параметров потока с помощью быстродействующих датчиков полного давления и перепада давлений. Так как в этом случае с высокой погрешностью (около 1%) будет измеряться лишь незначительная пульсирующая часть давления и перепада давлений, которая для давления не превышает 5% относительно среднего значения, а для перепада давлений не превышает 15-20% относительно среднего значения. Кроме того, в основу способа положен анализ спектрального распределения пульсаций параметров газового потока и выбор частоты дискретизации измерения параметров, в зависимости от максимальной частоты в спектре пульсаций и необходимой погрешности восстановления исходного сигнала по измеренным дискретным значениям параметров потока, что позволит уменьшить влияние пульсаций потока на величину расхода. При этом, для точного восстановления полных значений давления и перепада давлений, полосы пропускания используемых высокоточных инерционных датчиков для измерения усредненных значений параметров потока не должны перекрываться с полосами пропускания быстродействующих датчиков переменной составляющей давления и определяемого на их основе перепада давлений.

Изобретения поясняются примером исполнения и чертежами:

на фиг.1 представлена структурная схема информационно-измерительной системы измерения расхода пульсирующих потоков газа;

на фиг.2 приведена временная диаграмма, поясняющая процесс измерения значений давления с усреднением и переменной составляющей давления для последующего восстановления в информационно-вычислительном устройстве информационно-измерительной системы измерения расхода пульсирующих потоков газа (диаграмма измерения перепада давлений с усреднением и переменной составляющей перепада давлений выглядит аналогичным образом, поэтому не приводится);

на фиг.3 показан алгоритм обработки измерительных сигналов в информационно-вычислительном устройстве.

Способ осуществляют следующим образом.

На основании данных о спектральном распределении пульсаций потока газа выбирается частота дискретизации измерений переменной составляющей давления перед диафрагмой и после диафрагмы (перепад давлений определяется как разность показаний датчиков переменной составляющей давления перед диафрагмой и после диафрагмы в точках отсчета). Частота дискретизации выбирается в зависимости от требуемой погрешности восстановления сигнала расхода по измеренным дискретным значениям параметров потока, которая зависит от метода аппроксимации. Так, при использовании метода кусочно-линейной аппроксимации для восстановления синусоидального сигнала с погрешностью γ частота дискретизации рассчитывается по формуле:

где: f_гр - верхняя граничная частота в спектре пульсаций параметров потока.

Для ступенчатой аппроксимации восстанавливаемого сигнала частота дискретизации выбирается из условия:

Если верхняя частота в спектре пульсаций параметров потока составляет 700 Гц, а погрешность восстановления сигнала не должна превышать 0,01%, то для метода кусочно-линейной аппроксимации частота дискретизации должна быть не ниже 155,5 кГц, а для ступенчатой аппроксимации - не ниже 43,98 МГц. Однако с учетом того, что амплитуда пульсаций параметров потока на верхней граничной частоте, как минимум, на порядок меньше амплитуды сигналов основной гармоники пульсаций, то погрешность восстановления сигналов на верхней граничной частоте можно увеличить в десять раз, то есть вместо погрешности 0,01% в расчетах частоты дискретизации можно использовать значение 0,1%. Тогда частота дискретизации параметров потока при восстановлении сигналов с помощью кусочно-линейной аппроксимации должна быть не менее 49,17 кГц, а для ступенчатой аппроксимации - не менее 4,4 МГц.

Так как метод кусочно-линейной аппроксимации менее требователен к характеристикам быстродействия аппаратных средств, данный метод аппроксимации более предпочтителен в системах измерения расхода пульсирующих потоков газа.

Производится измерение переменной составляющей давления перед диафрагмой и после диафрагмы, а также температуры, усредненных значений давления перед диафрагмой и усредненных значений перепада давлений на диафрагме с выбранной частотой дискретизации в течение выбранного цикла измерения расхода газа.

Определяется переменная составляющая перепада давлений на диафрагме для каждого измерения путем вычитания из величины переменной составляющей давления перед диафрагмой величину переменной составляющей давления после диафрагмы.

где: - переменная составляющая давления перед диафрагмой на i-ом отсчете цикла измерения; - переменная составляющая давления за диафрагмой на i-ом отсчете цикла измерения.

Осуществляется восстановление полных значений давления перед диафрагмой и перепада давлений на диафрагме путем суммирования усредненных значений давления и перепада давлений с их переменной составляющей.

где: P_i и ΔÐ_i - соответственно величина полного пульсирующего давления перед диафрагмой и перепада давлений на диафрагме на i-ом отсчете цикла измерения; и - соответственно величина усредненного давления перед диафрагмой и перепада давлений на диафрагме на i-ом отсчете цикла измерения; и - соответственно величина переменной составляющей давления перед диафрагмой и перепада давлений на диафрагме на i-ом отсчете цикла измерения.

Вычисляются усредненное давление , перепад давлений и температура за один цикл измерения расхода по следующим зависимостям:

- для метода кусочно-линейной аппроксимации:

где P_i - величина полного давления перед диафрагмой на i-ом отсчете цикла измерения; ΔР_i - величина полного перепада давления на диафрагме на i-ом отсчете цикла измерения; T_i - величина температуры газа перед диафрагмой на i-ом отсчете цикла измерения; n - количество измерений за один измерительный цикл.

- для метода ступенчатой аппроксимации:

По средним значениям давления , перепада давлений и температуры за один измерительный цикл вычисляется коэффициент расхода c_q в соответствии с методикой, описанной в ГОСТ 8.563 либо ISO 5167.

При постоянной частоте дискретизации параметров потока средний квадратный корень из произведения параметров потока за цикл измерения определяется по следующим формулам:

- для метода кусочно-линейной аппроксимации:

- для метода ступенчатой аппроксимации:

Количество (объем) газа, прошедшее через диафрагму за один цикл измерения (то есть расход газа) с учетом пульсаций параметров потока, определяется как произведение среднего за измерительный цикл квадратного корня на коэффициент расхода, рассчитанный по средним за цикл измерения значениям параметров потока:

где: q_˜ - количество газа (расход), прошедшего через диафрагму за один цикл измерения Δt.

В качестве первичных измерительных преобразователей переменной составляющей давления используются датчики с пьезоэлектрическим чувствительным элементом, так как они обладают высоким быстродействием и способны производить измерение переменной составляющей давления без каких-либо дополнительных преобразований.

Принцип действия системы для измерения расхода пульсирующих потоков газа, показанной на фиг.1, следующий: от измерительного преобразователя (ИП), состоящего из диафрагмы 1, установленной в измерительном трубопроводе (ИТ), быстродействующего датчика переменной составляющей давления 2 перед диафрагмой, высокоточного инерционного датчика давления 3 перед диафрагмой, высокоточного инерционного датчика перепада давлений 4 на диафрагме, быстродействующего датчика переменной составляющей давления 5 после диафрагмы и датчика температуры 6, установленного в потоке газа после диафрагмы, измерительные сигналы поступают в блок масштабирования и согласования (БМС) 7, в котором производится преобразование входных измерительных сигналов от датчиков ИП в сигналы напряжения, соответствующие диапазону входных сигналов блока аналого-цифрового преобразования (АЦП) 8. Кроме того, БМС7 также осуществляет согласование выходных сопротивлений датчиков с входными сопротивлениями блока АЦП. После БМС измерительные сигналы подводятся к входам блока АЦП 8, который осуществляет преобразование аналоговых сигналов на входах АЦП 8 в цифровые коды, соответствующие уровню входных сигналов. Далее полученные коды передаются по высокоскоростной интерфейсной шине в блок цифровой обработки сигналов (ЦОС) 9, который преобразует полученные цифровые коды в форму, удобную для дальнейшего использования, а также осуществляет высокоскоростной обмен данными с информационно-вычислительным устройством (ИВУ) 10. По данным, полученным из ЦОС 9, ИВУ 10 производит вычисление расхода пульсирующих потоков газа в соответствии с алгоритмом вычисления расхода пульсирующих потоков газа, а также управляет работой блока АЦП 8 и блока ЦОС 9.

Временная диаграмма, иллюстрирующая процесс измерения давления с усреднением и переменной составляющей давления показана на фиг.2. На фиг.2 приняты следующие обозначения: Δt - цикл измерения расхода газа; Δτ - шаг дискретизации по времени сигнала переменной составляющей давления; N - количество измерений переменной составляющей давления за интервал времени Δt; k - коэффициент, характеризующий номер отсчета давления с усреднением, k=0, 1, 2, 3 и т.д.; n - коэффициент, характеризующий номер отсчета переменной составляющей давления, n=0, 1, 2, 3,...,N; - временная диаграмма изменения давления с усреднением; - временная диаграмма изменения переменной составляющей давления; - мгновенные значения давления с усреднением в точках отсчета; - мгновенные значения переменной составляющей давления в точках отсчета.

Восстановление полных значений давления осуществляется путем суммирования давления с усреднением в точках отсчета k·Δt+n·Δτ с каждым из N отсчетов переменной составляющей давления, выполняемых с шагом дискретизации Δτ, внутри интервала Δt:

где: P_k(n·Δτ) - величина полного давления для n-ого отсчета переменной составляющей давления перед диафрагмой на k-ом интервале дискретизации измерения расхода; - величина давления с усреднением на n-ом отсчете внутри k-ого интервала измерения расхода; - величина переменной составляющей давления перед диафрагмой для n-ого отсчета.

Аналогичные рассуждения справедливы при измерении перепада давлений:

где: ΔР_k(n·Δτ) - величина полного перепада давления для n-ого отсчета переменной составляющей давления перед диафрагмой на k-ом интервале дискретизации измерения расхода; - величина перепада давления с усреднением на n-ом отсчете внутри k-ого интервала измерения расхода; - величина переменной составляющей перепада давления перед диафрагмой для n-ого отсчета.

Для каждого дискретного значения полного давления P_k(n·Δτ) и полного перепада давлений ΔР_k(n·Δτ) определяется мгновенный расход газа в точках отсчета n·Δτ внутри k-ого интервала дискретизации Δt:

Алгоритм вычисления расхода пульсирующих потоков газа в ИВУ 10 при использовании кусочно-линейной аппроксимации показан на фиг.3. Алгоритм вычисления расхода пульсирующих потоков газа при использовании метода ступенчатой аппроксимации будет выглядеть аналогичным образом, за исключением формул для вычисления средних за цикл измерения параметров потока и среднего квадратного корня.

После запуска системы измерения расхода пульсирующих потоков газа в ИВУ 10 осуществляет конфигурацию блоков ЦОС 9 и АЦП 8 в соответствии с выбранными характеристиками оцифровки параметров потока газа (частота дискретизации, выбор измерительных каналов и их калибровка, величина буфера памяти для сбора измерительных данных и т.д.).

Как только все операции, связанные с конфигурированием блоков АЦП 8 и ЦОС 9, будут завершены, запускается операция сбора первого массива данных МД №1, включающего измеренные значения (отсчеты) усредненных давлений , от высокоточного инерционного датчика давления перед диафрагмой, усредненного перепада давлений от высокоточного инерционного датчика перепада давлений на диафрагме, температуры газа перед диафрагмой Т_i, переменной составляющей давления перед диафрагмой от быстродействующего датчика и переменной составляющей давления после диафрагмы от быстродействующего датчика. Область памяти в битах (Size), необходимая для хранения массива данных МД №1, определяется частотой дискретизации измерения параметров потока, временем цикла измерения расхода газа , разрядностью АЦП 8 m и количеством измеряемых параметров (в системе измеряется 5 параметров) и определяется следующей зависимостью:

Если, например, цикл измерения расхода газа составляет , частота дискретизации составляет а разрядность АЦП 8 m=16, то размер необходимой памяти для массива МД №1 составит Size=4000000 бит, или 500 кБайт.

После того как массив МД №1 будет полностью заполнен, одновременно осуществляется сбор данных в массив МД №2 и обработка данных из массива МД №1. Массив данных МД №2 аналогичен массиву МД №1, но располагается в выделенной области памяти, которая не перекрывается с областью памяти массива МД №1.

Обработка данных из массива МД №1 начинается с того, что вычисляются полные значения пульсирующего давления и перепада давлений для каждого измеренного значения параметров потока в массиве МД №1 за цикл измерения расхода газа по следующим формулам:

Далее, по результатам полученных данных из массива МД №1, определяются усредненные показатели температуры, полного давления и полного перепада давлений за один цикл измерения расхода по формулам:

Полученные усредненные параметры потока используются для вычисления коэффициента расхода c_q в соответствии с методикой, описанной в ГОСТ 8.563 или ISO 5167.

Затем, по значениям температуры, полного давления и полного перепада давлений определяется усредненный квадратный корень из произведения давления на перепад давлений, деленных на температуру по формуле:

Полученные значения коэффициента расхода c_q и усредненного квадратного корня используются для вычисления количества (расхода) пульсирующего потока газа, прошедшего через диафрагму за один цикл измерения расхода:

Далее полученное значение расхода и усредненные параметры потока выводятся на устройство отображения информации и записываются в базу данных для ведения отчетной информации по коммерческому расходу газа, а также производится освобождение массива данных МД №1 для заполнения новой информацией.

На этом заканчивается первый цикл измерения расхода пульсирующих потоков газа. Следующий цикл обработки данных начинается после того, как будет заполнен массив данных МД №2. При этом одновременно с обработкой данных производится заполнение массива МД №1. Последовательность вычислительных операций при обработке массива МД №2 аналогичен последовательности обработки данных из массива МД №1, поэтому не рассматривается.

Далее циклы измерения параметров потока и их обработки повторяются.

Ниже приведем сопоставленный пример вычисления расхода газа с пульсациями параметров потока по усредненным значениям параметров и по предлагаемому алгоритму с использованием кусочно-линейной аппроксимации.

Исходные данные:

Р=6.5+0.325·sin(2000·t), (МПа).

ΔР=600+120·sin(2000·t), (кПа).

Xa	Xy	ρс, кг/м3	rn, мм	Rш, мм	tnn, лет	D20, мм	d20, мм
0.01	0.002	0.68	0.05	0.1	1	150.00	84.00

Где:

Х_a - молярная доля азота в природном газе; Х_у - молярная доля углекислого газа в природном газе; ρ_c - плотность природного газа при стандартных условиях, кг/м³; r_n - начальное значение радиуса закругления входной кромки сужающего устройства, мм; R_ш - эквивалентная шероховатость внутренней поверхности измерительного трубопровода, мм; t_nn - межповерочный интервал диафрагмы, лет; D₂₀ - диаметр цилиндрической части измерительного трубопровода, мм; d₂₀ - диаметр цилиндрической части диафрагмы, мм.

Марка стали трубопровода - 20. Марка стали диафрагмы - 12Х18Н9Т.

В результате вычисления расхода газа по средним значениям параметров потока (Р=6.5 МПа, ΔР=600 кПа, за один период пульсаций в соответствии с ГОСТ 8.563.2-97 получили следующие значения:

; .

Новый способ измерения расхода пульсирующих потоков газа, основанный на методе переменного перепада давлений, при 225 отсчетах на один период пульсаций обеспечивает следующие показатели:

;

Значение расхода пульсирующего потока газа за один период пульсаций, полученное численным интегрированием выражения (1) при разбиении периода пульсаций на 10000 равных частей, составляет Величина расхода газа, определенная по средним значениям параметров потока, отличается от данной величины расхода на γ_q=0.13%, а предлагаемый способ дает величину, отличающуюся на γ_q=0.014%.

Увеличивая количество отсчетов параметров потока за один период пульсаций, можно уменьшить данное отклонение.

Таким образом, предлагаемый метод позволяет уменьшить дополнительную систематическую погрешность измерения расхода газа, вызванную пульсациями параметров потока, до необходимого уровня.

1. Способ определения расхода пульсирующего потока газа на магистральном газопроводе методом переменного перепада давления на сужающем устройстве, включающий измерение усредненного давления перед диафрагмой с помощью высокоточного инерционного датчика, усредненного перепада давления на диафрагме с помощью высокоточного инерционного датчика и температуры после диафрагмы с помощью высокоточного датчика с последующим вычислением расхода, отличающийся тем, что предварительно определяют спектральное распределение пульсаций газового потока в газопроводе и на основе максимальной частоты в спектре пульсаций и заданной допустимой погрешности восстановления исходного сигнала выбирают частоту дискретизации измерения параметров, производят измерение переменной составляющей давления перед диафрагмой и после диафрагмы с помощью быстродействующих датчиков, измерение усредненных значений давления перед диафрагмой, усредненных значений перепада давлений на диафрагме и температуры с помощью высокоточных датчиков с выбранной частотой дискретизации в течение выбранного цикла измерения, определяют переменную составляющую перепада давлений путем вычитания из величины переменной составляющей давления перед диафрагмой величины переменной составляющей давления после диафрагмы в точках отсчета, осуществляют восстановление полных значений давления перед диафрагмой и перепада давления на диафрагме путем суммирования усредненных значений давления и перепада давления с их переменной составляющей, по полученным полным значениям давления и перепада давлений определяют средний квадратный корень из произведения рассчитанных полных значений давления и перепада давлений за цикл измерения расхода, по которому с учетом коэффициента расхода, вычисляемого по усредненным значениям параметров потока, определяют расход пульсирующего потока газа.

2. Информационно-измерительная система определения расхода пульсирующего потока газа на магистральном газопроводе методом переменного перепада давления, включающая сужающее устройство, высокоточный датчик температуры, высокоточный инерционный датчик измерения усредненного давления перед диафрагмой, высокоточный инерционный датчик измерения усредненного перепада давления на диафрагме, блок аналого-цифрового преобразования и информационно-вычислительное устройство, отличающаяся тем, что в нее дополнительно введены быстродействующие датчики переменной составляющей давления перед диафрагмой и после диафрагмы, блок масштабирования и согласования и блок цифровой обработки сигналов, при этом выходы высокоточного датчика температуры, высокоточного инерционного датчика измерения усредненного давления перед диафрагмой, высокоточного инерционного датчика измерения усредненного перепада давления на диафрагме и быстродействующих датчиков переменной составляющей давления перед диафрагмой и после диафрагмы подключены ко входам блока масштабирования и согласования, выходы которого подсоединены ко входам блока аналого-цифрового преобразования, подключенного к блоку цифровой обработки сигналов, выходы которого подсоединены ко входу информационно-вычислительного устройства и управляющему входу блока аналого-цифрового преобразования.