Способ измерения объемного расхода потока газа



Способ измерения объемного расхода потока газа

 


Владельцы патента RU 2492428:

Закрытое акционерное общество "Концерн "Струйные технологии" (RU)

Изобретение относится к области расходометрии. Способ измерения объемного расхода газа, в котором перпендикулярно к направлению потока газа располагают проводник, через который пропускают заданный ток. Измеряют изменение падения напряжения на проводнике, зависящее от скорости потока. По измеренному значению напряжения расчетным путем определяют скорость. Затем на основании определенных допущений относительно распределения скорости по поперечному сечению трубопровода вычисляют объемный расход газа. При этом в потоке помещают дополнительно заданное количество проводников, находящихся на заданных расстояниях друг от друга вдоль и поперек направления движения потока и повернутых относительно друг друга на заданные углы, по каждому из которых протекает заданный ток. При этом дополнительные проводники вместе с имеющимся изначально проводником образуют объемную сетку, перекрывающую поперечное сечение канала на заданной длине по направлению движению потока. Причем измеряют падение напряжения на каждом проводнике, зависящее от распределения скорости газового потока по длине соответствующего проводника. Затем восстанавливают поле сопротивлений установленных проводников методами компьютерной томографии. Затем расчетным путем определяют поле скоростей потока, после чего интегрированием по площади поперечного сечения вычисляют объемный расход газа по трубопроводу. Технический результат - повышение точности измерения объемного расхода газа. 1 ил.

 

Изобретение относится к расходометрии.

Известен способ измерения скорости потока с применением термоанемометра постоянного тока (Мышкин В.Ф., Власов В.А. Методы и средства изучения физико-химических явлений и процессов. Федеральное агентство по образованию. Томский политехнический университет. Кафедра технической физики. Томск 2007 http://window.edu.ru/window_catalog/redir?id=73970&file=posobie1.pdf. A.M. Туричин, П.В. Новицкий, Е.С. Левшина, B.C. Гутников, С.А. Спектор, И.А. Зограф, Б.Э. Аршанский, В.Г. Кнорринг, П.Д. Пресняков. Электрические измерения неэлектрических величин. Изд. 5-е, перераб. и доп. Л., «Энергия», 1975. 576 с. с ил.). Способ предусматривает измерение изменения падения напряжения на проволочке, через которую пропускается неизменный ток, и которое зависит от скорости потока, так как последняя определяет теплосъем с проволочки, а значит ее температуру, сопротивление, и как итог - падение напряжение на ней. Недостатком этого способа является измерение скорости потока в точке (проволочка обычно очень небольших размеров), что не позволяет получить объемный расход газа, так как скорости потока в точках, в которых нет датчика, могут очень сильно отличаться от скорости в точках, где он установлен (вплоть до нуля у стен трубопровода).

Известен термоанемометр (пат. США 4326412), в котором измерительная проволочка, подключенная двумя своими концами к устройству измерения, сложным образом пронизывает как поперечное сечение трубопровода в нескольких плоскостях, так и располагается вдоль потока, таким образом, что при измерении изменения падения напряжения на проволочке, а значит температуры проволочки, теплосъема с проволочки и в конечном итоге - расхода, происходит естественное осреднение скоростей потока вдоль линии проволочки. Недостатком данного способа является измерение расхода через измерение изменения среднего значения сопротивления проволочки. Однако среднюю скорость газового потока вдоль проволочки нельзя рассчитывать по среднему сопротивлению проволочки в силу нелинейной зависимости сопротивления от скорости, в результате чего сумма сопротивлений, взятая по отрезкам проволочки, не будет прямо пропорциональна сумме скоростей вдоль этих отрезков.

Известен расходомер (пат. США 5861556), в котором для измерения скорости движения газов в трубопроводе используется множество термоанемометрических датчиков, установленных в поперечном сечении трубопровода. По данным измерений вычислитель рассчитывает среднее значение скорости поток и объемный расход газа. Недостатком данного способа является наличие существенных искажений поля скоростей потока из-за необходимости разместить в поперечном сечении трубопровода множества датчиков и конструктива для их установки, так что поле скоростей в плоскости установки датчиков может существенно отличаться от такового в свободных сечения трубопровода, в том числе сопровождаться завихрениями, существенно искажающими результаты измерений. Несмотря на большое количество датчиков, измерения все равно проводятся только в конечном количестве точек, что тоже ухудшает итоговый результат, так как поле скоростей потока существенно непрерывно. Кроме того, на самом деле вычисляется не интегральное значение расхода, а среднее значение скорости потока. Наконец, устройству присущи сложность и дороговизна, обусловленные большим количеством датчиков и сложным конструктивом.

Известны электромагнитные расходомеры (ЭМР), восстанавливающие структуру протекающей жидкости методами компьютерной томографии (Коптев B.C., Прохоров А.В., Сычев Г.И. Обзор состояния и перспективы развития электромагнитных расходомеров и теплосчетчиков. http://teplopunkt.ru/articles/dloads/0111_sgi_emr.pdf). Их основным недостатком является возможность работы только с электропроводными жидкостями, т.е. они не пригодны для анализа потоков газа.

Известно устройство и метод для реализации электроимпедансного томографа (патент США 7491174). Система содержит первую группу электродов, расположенных в первой плоскости, и вторую группу электродов, расположенную во второй плоскости. Система также включает в себя третью группу электродов, расположенную в третьей плоскости между первой и второй плоскостями. Третья группа электродов может вращаться вокруг проходящей через нее оси. Далее, третья группа электродов может двигаться вдоль оси между первой и второй плоскостями к различным другим плоскостям, например, к четвертой плоскости, пятой плоскости и т.д. Между различными электродами различных групп пропускается ток, и одновременно измеряются напряжения на других электродах. Процессор обрабатывает значений напряжений, полученные от измерителя напряжений таким образом, чтобы восстановить распределение плотности тока в различных плоскостях. Кроме того, процессор получает трехмерное изображение, соответствующее распределению плотности тока между первой и второй плоскостями. Недостатком данного способа является невозможность измерения с его помощью расхода газа, так как изначально он предназначен для восстановления структуры исследуемых веществ, преимущественно многофазных неоднородных твердожидкостных систем. Кроме того, пути тока в исследуемых веществах не фиксированы, что затрудняет математическую обработку измеренных разностей потенциалов.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ измерения расхода, использующий проволочный термоанемометр, содержащий проволоку, установленную поперек измеряемого потока газа, задатчик тока, протекающего через проволочку и измеритель падения напряжения на ней (Рейнольд А.Дж. Турбулентные течения в инженерных приложениях: Пер. с анг. - М.: Энергия, 1979. - 408 с., ил.). Изменение падения напряжения на проволочке (при работе термоанемометра в режиме постоянного тока) или тока в ней (при работе термоанемометра в режиме постоянного сопротивления проволочки, или, что то же самое, постоянной температуры) определяется конвективным теплосъемом с проволочки, а значит - скоростью газового потока. Недостатком данного способа является невозможность измерения поля скоростей потока по поперечному сечению газохода, будь то короткая проволочка, и тогда измерение производится в точке, будь то длинная проволочка (вплоть до диаметра газохода), и тогда измерение производится на линии. Для длинной проволочки, опять же, среднюю скорость газового потока вдоль проволочки нельзя рассчитывать по среднему сопротивлению проволочки в силу нелинейной зависимости сопротивления от скорости, в результате чего сумма сопротивлений, взятая по отрезкам проволочки, не будет прямо пропорциональна сумме скоростей вдоль этих отрезков.

Основной задачей, решаемой предлагаемым изобретением, является создание способа измерения объемного расхода потока газа, позволяющего повысить точность измерения за счет использования принципов проволочной термоанемометрии в сочетании с принципами компьютерной томографии.

Поставленная цель достигается тем, что к совокупности падений напряжения на проволочках, дополнительных данной проволочке и располагающихся поперек направления движения потока газа и образующих объемную сетку проволочек, перекрывающую поперечное сечение канала на заданной длине по направлению движению потока, применяются методы компьютерной томографии, позволяющие восстановить поле скоростей потока газа по всему поперечному сечению потока.

На фиг.1 представлен пример устройства для реализации предлагаемого способа. Устройство содержит проводник 1 диаметра d1, протянутый сквозь поперечное сечение трубопровода и подключенный к решающему устройству 2, проводники 3 диаметром di, где i обозначает i-тый проводник, расположенных на заданных расстояниях δXij друг от друга поперек движения потока, и на заданных расстояниях δZij вдоль направления движения потока, и повернутых друг относительно друга на углы δφij, все проводники образуют объемную сетку, перекрывающую поперечное сечение трубопровода на заданной длине по направлению движению потока, проводник 1 и все проводники 3 подключены к решающему устройству 2 (показано только для проводника 1). На фиг.1a показан фронтальный вид на трубопровод, на фиг.1б - вид сверху.

Устройство работает следующим образом. Решающее устройств 2 обеспечивает формирование токов, протекающих через проводники i и измерение падения напряжения на проводниках, а также вычисление скоростей потоков газа на основе использования уравнений баланса электрической мощности, выделяемой на проводниках и тепловой мощности, уносимой омывающим их газовым потоком, а также применением методов компьютерной томографии, а также расчет объемного расхода газа и предоставление полученных результатов пользователю.

Ток разогревает проводники, поток газа их охлаждает, устанавливается некоторое распределение температуры в каждой точке каждого проводника. Это распределение температуры проводников (поле температуры) полностью определяется полем скорости потока, током (токами) в проводниках и температурой газа.

Распределение температуры вдоль каждого проводника определяет распределение удельного сопротивления. Напряжение на i-м проводнике, которое можно измерить, равно:

где d - диаметр проводника, I - сила тока, ρ(x,у) - удельное сопротивление в точках, где расположены проводники, Li - длина i-ого проводника.

Представим поле удельного сопротивления ρ(x,у) в виде разложения по конечному числу базисных функций:

Подставляя, получим систему линейных уравнений для коэффициентов разложения {xj}:

Здесь Ui - измеренные напряжения, xj - неизвестные коэффициенты разложения поля удельных сопротивлений. Если M=N, а также если определитель системы отличен от нуля, то эти уравнения имеют единственное решение. Если M>N, тогда точного решения системы нет. Для нахождения приближенного решения используем метод наименьших квадратов:

j = 1 N a i j x j = b i ,  i = 1 , ,M

Сумма квадратов невязок:

S = i = 1 M [ j = 1 N a i j x j b i ] 2

Условие минимума суммы квадратов невязок:

Подставляем и дифференцируем:

j = 1 N x j i = 1 M a i j a i k = i = 1 M b i a i k

A k j = i = 1 M a i j a i k

B k = i = 1 M a i k b i

j = 1 N A k j x j = B k ,  k = 1 .. N

Получаем систему линейных уравнений с квадратной матрицей, точное решение которой есть приближенное решение системы (1), обеспечивающее минимальное значение суммы квадратов невязок. Эту систему уже можно решать любым методом решения «квадратных» систем линейных алгебраических уравнений, если, конечно, она не слишком плохо обусловлена.

Пусть используются базисные функции ρj с конечным носителем типа тех, которые используются в методе конечных элементов с треугольными элементами. В результате решения получается вектор коэффициентов {xj} разложения поля удельного сопротивления по базисным функциям {ρj(х,у)}, а значит, и само поле ρ(х,у).

Далее, число Рейнольдса при поперечном обтекании проволоки потоком газа равно Re=pud/m, ρ - плотность газа, u - скорость, d - диаметр проволоки, m - коэффициент динамической вязкости газа. Пусть число Нуссельта есть однозначная функция числа Рейнольдса:

Nu=f(Re)

Зависимость числа Нуссельта от числа Рейпольдса:

Nu=f1(Re)=0.59Re0.47Pr0.33, Re=8..1000

Nu=f2(Re)=0.22Re0.6Pr0.33, Re=5000..50000

Nu=f3(Ре)=0.026Re0.8Pr0.33, Re>100000

Для метана число Прандтля Pr=Cpm/λ=0.75. Коэффициент теплоотдачи при конвективном теплообмене между проволокой и газом:

где λ - коэффициент теплопроводности газа. Для метана при 0°C D=0.03 02 Вт/(м×К), при 50°C 1=0.0361. Тепловая мощность, снимаемая потоком газа с элемента длины проволоки, равна:

dP=dx·α(T-T0)πd

Электрическая мощность, выделяемая при протекании тока через проволоку, равна:

где ρ - удельное сопротивление. Приравниваем и получаем выражение для коэффициента теплоотдачи:

Удельное сопротивление есть линейная функция температуры:

ρ=ρ0(1+k(T-T0))

Здесь Т0 - температура потока, ρ0 - удельное сопротивление при этой температуре. Подставляем и выражаем локальную температуру проволоки:

После этого можно вычислить удельное сопротивление в каждой точке проволоки и взять соответствующий интеграл. Это необходимо при моделировании работы датчика.

Когда поле удельных сопротивлений уже реконструировано по результатам измерения, по значениям удельных сопротивлений в каждой точке необходимо вычислить значения скорости потока. Это делается следующим образом:

Выражая температуру через удельное сопротивление и подставляя в выражение для коэффициента теплоотдачи, получаем:

Вычисляем число Нуссельта:

Затем число Рейнольдса:

Re=f-1(Nu)

Обратная функция:

Re = f 1 1 ( N u ) = [ N u 0.59 Pr 0.33 ] 2.13 , N u = 1.4..14

Re = f 2 1 ( N u ) = [ N u 0.22 Pr 0.33 ] 1.67 , N u = 30..130

Re = f 3 1 ( N u ) = [ N u 0.026 Pr 0.33 ] 1.25 , N u > 200

Затем вычисляем скорость потока в каждой точке:

Наконец, интегрируем поле скорости по площади поперечного сечения канала и получаем объемный расход.

Способ измерения объемного расхода газа, в котором перпендикулярно к направлению потока газа располагают проводник, через который пропускают заданный ток, измеряют изменение падения напряжения на проводнике, зависящее от скорости потока, по измеренному значению напряжения расчетным путем определяют скорость и затем на основании определенных допущений относительно распределения скорости по поперечному сечению трубопровода вычисляют объемный расход газа, отличающийся тем, что в потоке помещают дополнительно заданное количество проводников, находящихся на заданных расстояниях друг от друга вдоль и поперек направления движения потока и повернутых относительно друг друга на заданные углы, по каждому из которых протекает заданный ток, и которые вместе с имеющимся изначально проводником образуют объемную сетку, перекрывающую поперечное сечение канала на заданной длине по направлению движению потока, причем измеряют падение напряжения на каждом проводнике, зависящее от распределения скорости газового потока по длине соответствующего проводника, а затем восстанавливают поле сопротивлений установленных проводников методами компьютерной томографии, затем расчетным путем определяют поле скоростей потока, после чего интегрированием по площади поперечного сечения вычисляют объемный расход газа по трубопроводу.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области микроэлектронных и микромеханических устройств и может быть использовано в качестве первичного преобразователя (сенсора) количества прошедшей по трубопроводу жидкости или газа в электрические сигналы расходомеров или счетчиков.

Изобретение относится к области измерения объема (массы жидкости), в частности к определению массы нефтепродукта, хранимого в больших эластичных контейнерах, и может быть использовано на автозаправочных станциях, резервуарных парках складов и нефтебаз, использующих для хранения нефтепродуктов эластичные резервуары.

Изобретение относится к области расходометрии и может быть использовано для определения расхода слабых (порядка десятков - сотен миллилитров в секунду) потоков жидкости.

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано в процессе измерения параметров потоков жидкостей или газов. .

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к тепловым расходомерам для измерения расхода газа в диапазоне 0-100 мг/с. .

Изобретение относится к приборостроению, а именно к датчикам контроля уровня жидкости, и может быть использовано в системах и приборах для контроля уровня топлива, при хранении, заправке, а также в процессе работы двигателей на криогенном топливе при жестких механических воздействиях.

Изобретение относится к области приборостроения, в частности к устройствам для измерения параметров потока газа в открытых и закрытых каналах. .

Изобретение относится к области приборостроения и предназначено для измерения тепловой энергии, подаваемой жидким теплоносителем от котлоагрегатов к отопительным системам и системам горячего водоснабжения зданий коммунального назначения, жилого фонда, школ, детских садов и иных сооружений промышленности. Заявлен термостатно-тахометрический теплосчетчик, имеющий трубопровод, термостат, счетное устройство, соединительные трубки, вентили. В термостате устанавливается полка с отверстиями, уменьшающими поток теплоносителя, поступающий на счетное устройство. Технический результат: уменьшение размера теплосчетчика и увеличение точности его измерения. 2 ил.

Изобретение касается датчика (102) и блока (602) управления для взаимодействия с датчиком. Датчик (102) служит для измерения скорости жидкости (308), протекающей через канал (306). В датчике (102) используется принцип измерения температур, проявляющий устойчивость в отношении отклонений по количеству энергии, диссипируемой нагревательным элементом (106). Приемник (110) датчика выполнен с возможностью приема электромагнитного излучения, генерируемого управляющим передатчиком (622), содержащимся в блоке (602) управления для взаимодействия с датчиком (102). Электромагнитное излучение используется для энергоснабжения нагревательного элемента (106), выполненного с возможностью нагрева жидкости. На основе измерительного сигнала, генерируемого преобразовательной схемой, содержащейся в датчике (102), управляющий привод (624) управляет скоростью жидкости. С этой целью передатчик (116) датчика выполнен с возможностью передачи измерительного сигнала на управляющий приемник (634). Технический результат - обеспечение возможности измерения скорости флюида и получение измерительного сигнала, устойчивого к отклонениям в отношении количества энергии, диссипируемой нагревательным элементом. 5 н. и 8 з.п. ф-лы, 8 ил.

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано при выполнении анемометрических измерений. Заявлен анемометрический зонд с проволочкой или с n (n≥1) проволочками, параллельными между собой, для измерения вблизи стенки, содержащий для каждой проволочки два стержня (4, 6) крепления проволочки. Конец каждого стержня содержит плоскую зону (43) позиционирования и крепления проволочки и прямой участок проволочки (2), закрепленный пайкой на указанных плоских зонах (43) позиционирования и крепления проволочки. Технический результат - повышение точности данных. 3 н. и 16 з.п. ф-лы, 21 ил.

Изобретение относится к области микросенсоров, а именно к микроэлектромеханическим системам (МЭМС) для измерения потоков жидкостей и газов - МЭМС-термоанемометрам. Анемометрический датчик содержит чувствительный элемент, выполненный в виде двух и более открытых контролируемому потоку упругих лепестков. Сам чувствительный элемент с электрическими контактами к нему выполнен из пьезоэлектрического материала и выполняет функцию датчика колебаний. Также упругие лепестки имеют разные длины. К чувствительному элементу каждого лепестка соответствующей определенной длины подводится отдельный контакт. Каждой длине соответствует свой динамический диапазон измерения потока и в зависимости от силы потока функционируют определенные лепестки: более длинные регистрируют малые потоки, более короткие - большие за счет разных частот собственных колебаний. Техническим результатом является создание простого в изготовлении анемометрического датчика с низким расходом энергии и малыми размерами, способного определять наличие потока. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано для учета тепловой энергии. Способ измерения тепловой энергии реализуется на измерении текущих значений температуры и переноса их значений на показатели расхода теплоносителя посредством деления потока на две составляющие и распределения теплоносителя в два выходных канала - Tmin канал начала отсчета и Tmax информационный канал, согласованные со шкалой термометра. Устройство, реализующее способ, содержит блок разделения каналов, два счетчика расхода теплоносителя и выходной коллектор, соединяющий два потока в один. Устройство состоит из корпуса 1 с входным 2 и двумя выходными каналами 3 - Tmin (Сч13) и 4 - Tmax (Сч14), термометра 5, установленного на оси 7 механизма распределения теплоносителя 6, который перекрывает одновременно оба канала (заслонки 8 и 10) в корпусе стабилизаторов потока 12 по формуле обратно пропорционального перекрытия. Теплоноситель распределяется в два выходных канала пропорционально измеренной температуре, а счетчики в этих каналах фиксируют объем прошедшего теплоносителя за определенный период времени. Устройство позволяет по показаниям счетчиков рассчитать среднюю температуру пройденного теплоносителя, суммарный объем прошедшего теплоносителя и объем потребленной тепловой энергии. Технический результат - повышение точности определения потребленной тепловой энергии. 2 н. и 1 з. п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области теплоэнергетики, а именно к задаче энергосбережения в системах потребления пара и может быть использовано для контроля рационального использования пара в теплообменниках путем определения эффективности конденсатоотводчика. Способ мониторинга состояния конденсатоотводчика включает измерение температуры греющего пара, давления греющего пара, температуры стенки конденсатопровода и давления в конденсатопроводе, дополнительно определяют массовый расход греющего пара и диаметр конденсатопровода, затем по величине массового расхода греющего пара сначала вычисляют коэффициент теплоотдачи от пролетного пара к стенке конденсатопровода, а потом вычисляют коэффициент теплоотдачи от конденсата к стенке конденсатопровода, после этого исходя из данных о давлении в конденсатопроводе вычисляют соответствующую этому давлению температуру насыщения, далее, используя отношение величины коэффициента теплоотдачи от конденсата к стенке конденсатопровода к величине коэффициента теплоотдачи от пролетного пара к стенке конденсатопровода и данные о температуре греющего пара, поступающего в теплообменник, температуре насыщения, соответствующей давлению в конденсатопроводе, и температуре стенки конденсатопровода, вычисляют эффективность конденсатоотводчика по уравнениям теплового баланса. 2 н. п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к газовым счетчикам. Газовый счетчик содержит корпус счетчика с впускным отверстием для газа с относящимся к нему присоединительным штуцером для подводящего газопровода и выпускным отверстием для газа с относящимся к нему присоединительным штуцером для отводящего газопровода. Корпус (2) счетчика представляет собой корпус мембранного газового счетчика, в котором на выпускном отверстии (11) для газа расположено имеющее корпус (13) с встроенным микротермическим расходомерным сенсором (20) измерительное устройство (12). Корпус (13) измерительного устройства (12) герметично соединен с присоединительным штуцером (10) со стороны выпускного отверстия для газа или с корпусом (2) счетчика в зоне выпускного отверстия (11) для газа. Технический результат - обеспечение предельно точного измерения расхода газа совместно с обеспечением возможности подключения такого счетчика без доработок в здании геометрии мест подключения на стороне сети. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области приборостроения, а именно к устройствам для измерения потоков жидкостей и газов с использованием микроэлектромеханических датчиков. Измеритель потока содержит тело обтекания, датчик потока и средства управления и съема информации. Тело обтекания выполнено с переменным сечением в форме, обеспечивающей ламинарность потока, и выполнено с возможностью задания его положения относительно измеряемого потока, а один или несколько датчиков потока установлены на поверхности тела обтекания заподлицо с ней. Технический результат - увеличение пределов и точности измерения потоков. 7 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к диагностике технического состояния систем контроля технологических процессов. Предложен способ проверки работоспособности системы контроля течи трубопровода, который включает воспроизведение системой параметров эталонного имитатора измеряемых системой физических величин, сравнение воспроизведенных параметров с заданными параметрами эталонного имитатора и выработку заключения о работоспособности системы. Параметры эталонного имитатора течи задают перед каждой проверкой работоспособности системы в виде величин массового расхода и местоположения течи. Рассчитывают временной и температурный режимы теплового воздействия на каждый первичный преобразователь температуры системы при течи с заданными эталонным имитатором параметрами. Проводят тепловое воздействие на каждый первичный преобразователь температуры с соблюдением рассчитанных временного и температурного режимов. Регистрируют воспроизведенные системой параметры эталонного имитатора. Сравнивают их с заданными параметрами эталонного имитатора течи и признают систему работоспособной при условии совпадения указанных параметров в пределах допустимых нормированных погрешностей. Технический результат- повышение достоверности и точности диагностики. 2 табл.
Наверх