Информационно-измерительная система для измерения расхода и количества газа
Владельцы патента RU 2641505:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Уфимский государственный нефтяной технический университет" (RU)
Изобретение относится к области измерительной техники и может быть преимущественно использовано для измерения расхода и количества природного газа при коммерческом учете. В информационно-измерительной системе для измерения расхода и количества газа, состоящей из основного измерительного трубопровода с вихревым расходомером, датчиков давления и температуры, контроллера и запоминающего устройства, согласно изобретению параллельно основному измерительному трубопроводу установлен байпасный измерительный трубопровод с установленным в нем образцовым ультразвуковым расходомером и краном, управляемым контроллером. При этом контроллер выполнен с возможностью осуществления алгоритма вычисления расхода по формуле:
где Q - расход, измеряемый вихревым преобразователем;
q - расход, измеряемый ультразвуковым расходомером;
ƒ1 - частота, снимаемая, пропорциональная расходу Q;
ƒ2 - частота, снимаемая, пропорциональная расходу Q-q. Технический результат - повышение точности измерения расхода. 1 ил.
Изобретение относится к области измерительной техники и может быть преимущественно использовано для измерения расхода и количества природного газа при коммерческом учете.
Известны вихревые расходомеры, принцип действия которых основан на измерении частоты следования вихрей, образующихся за помещенным в поток текучей среды плохообтекаемым телом. Они характеризуются большим диапазоном измерений и стабильностью метрологических характеристик. Основными узлами вихревого расходомера являются тело обтекания и чувствительный элемент, преобразующий колебательное изменение давления или скорости потока в вихревом следе в электрический сигнал. В качестве преобразователя может использоваться термоанемометр («Вихревой расходомер - счетчик газа» Козицкий А.И., Моргунов В.М.) [Козицкий А.И., Моргунов В.М. Вихревой расходомер - счетчик газа» [Электронный ресурс]. - URL: www.gorgaz.ru/download/publicatcii/publ2.zip? PHPSESSID]. В другом случае вторичным преобразователем являются два пьезоэлемента, установленные диаметрально противоположно за телом обтекания (Патент RU №2515129 G01F 1/32 (2006.01), опубл. 10.05.2014).
Существенным недостатком указанных расходомеров является то, что в них отсутствует возможность расчета количества газа и приведение его к нормальным условиям.
От указанного недостатка свободен выбранный в качестве прототипа вихревой расходомер ВРСГ-1 («Вихревой расходомер - счетчик газа ВРСГ-1. Опыт создания и эксплуатации» Гайнанов Л.Э., Гоголадзе З.Д., Кратиров Д.В.) [Гайнанов Л.Э., Гоголадзе З.Д., Кратиров Д.В. Вихревой расходомер - счетчик газа ВРСГ-1. Опыт создания и эксплуатации [Электронный ресурс]. - URL: http://npk-pmo.ru/rs42]. Расходомер состоит из корпуса в виде участка трубопровода, тела обтекания для создания областей вихреобразования, расположенного в трубопроводе перпендикулярно оси трубопровода. В ВРСГ-1, помимо частоты срыва вихрей, измеряется давление и температура среды в измерительном участке. Кроме того, расходомер снабжен устройством стандартного интерфейса, осуществляющим связь с контроллером, реализующим алгоритм вычисления количества газа и введение поправки по температуре и давлению.
Недостаток устройства-прототипа - недостаточная точность измерения, возникающая вследствие мультипликативной составляющей погрешности вихревого расходомера. Ее наличие объясняется следующим образом.
Уравнение измерения расхода газа для вихревого расходомера выглядит следующим образом [Рекомендация. Расход и количество газа. Методика выполнения измерений ФР.1.29.2003.00885. Казань: ВНИИР, 2003. 23 с.]:
,
где Kпр=KQFh - коэффициент преобразования расходомера;
KQ - поправочный коэффициент преобразователя расходомера;
F - площадь поперечного сечения проточного тракта расходомера;
h - диаметр характерного тела, за которым образуются вихри Бенара-Кармана;
KT - поправочный коэффициент на изменение размеров элементов конструкции расходомера, вызванных отклонением температуры от 20°С;
- поправочный коэффициент на влияние расширения газа за телом обтекания (коэффициент расширения);
ƒ - частота вихреобразования;
- условно-постоянная величина, учитывающая конструктивные особенности расходомера и параметры среды;
γ - показатель адиабаты;
R - универсальная газовая постоянная;
μF - коэффициент сужения за телом обтекания;
- коэффициент характеризует отличие давления в измерительном сечении от давления в расчетном сечении;
- число Маха;
а - скорость звука;
ν - скорость движения газа;
Р, Т и K - давление, температура и коэффициент сжимаемости газа;
РC=101325 Па и ТC=293,15 K - стандартные условия.
Коэффициенты Kпр, KE, KT для каждого конкретного расходомера при конкретных условиях являются постоянными, и расход Q зависит только от частоты ƒ. Однако при изменении параметров измеряемой среды изменятся такие показатели, как: коэффициент сжимаемости газа, коэффициент сужения за телом обтекания, коэффициент, характеризующий отличие давления в измерительном сечении от давления в расчетном сечении. Это в свою очередь приведет к изменению коэффициентов Kпр, KE, KT, из-за чего возникнет мультипликативная составляющая погрешности, что приведет к снижению точности измерений. В устройстве-прототипе отсутствует механизм, позволяющий исключить данную составляющую погрешности.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение точности измерения расхода.
Технический результат достигается тем, что в информационно-измерительной системе для измерения расхода и количества газа, состоящей из основного измерительного трубопровода с вихревым расходомером, датчиков давления и температуры, контроллера и запоминающего устройства, согласно изобретению параллельно основному измерительному трубопроводу установлен байпасный измерительный трубопровод с установленным в нем образцовым ультразвуковым расходомером и краном, управляемым контроллером. Также изменен алгоритм вычисления расхода газа, за счет чего устранена мультипликативная составляющая погрешности вихревого расходомера. При этом периодическое подключение ультразвукового расходомера позволяет при необходимости осуществлять калибровку вихревого расходомера.
Система состоит из основного измерительного трубопровода 1 с вихревым расходомером 2, который образует вихри Бенара-Кармана, байпасного измерительного трубопровода 3 малого диаметра с установленным на нем образцовым ультразвуковым расходомером 4. На байпасном трубопроводе 3 установлен кран 5, осуществляющий подключение байпасного трубопровода. Вихревой расходомер 2 соединен с преобразователем 6, преобразующим частоту вихрей в кодовую комбинацию. Ультразвуковой расходомер 4 подключен к преобразователю 7. Каналы измерения давления и температуры реализованы преобразователями 8 и 9. Преобразователи 6, 7, 8 и 9 подключены к программируемому контроллеру 10 по стандартному интерфейсу и протоколу. Контроллер 10 реализует алгоритм вычисления расхода и количества газа и соединен с запоминающим устройством 11 для хранения информации и с дисплеем 12 оператора для визуализации полученных результатов. При этом контроллер 10 также соединен с краном 5 с целью программного управления подключением байпасного трубопровода 3.
Устройство работает следующим образом. Работа системы осуществляется в два такта. В первом такте кран 5 на измерительном трубопроводе 1 закрыт, весь расход Q проходит через вихревой расходомер 2. Частота ƒ1, соответствующая данному расходу, снимается преобразователем 6 и хранится в запоминающем устройстве 11 контроллера 10. Затем на втором такте контроллер 10 подает сигнал на открытие крана 5 и часть потока газа начинает идти через байпасный трубопровод 3. Система во время второго такта создает избыточную информацию за счет включения расходомера 4. Расходомер 4 измеряет расход q, который преобразуется в код при помощи преобразователя 7. Частота ƒ2, пропорциональная величине расхода Q-q, также измеряется преобразователем 6. Периодичность смены тактов зависит от периодичности изменения параметров измеряемой среды, и, как правило, байпасный трубопровод 3 подключается не чаще чем раз в сутки. Кроме того, в трубопроводе 1 постоянно происходит измерение давления и температуры преобразователями 8 и 9 соответственно. После обработки в контроллере 10 вся информация о расходе и количестве газа отображается на дисплее 12 оператора.
Уравнение измерения расхода газа для вихревого расходомера, которое выглядит следующим образом:
,
где Kпр - коэффициент преобразования расходомера;
KT - поправочный коэффициент на изменение размеров элементов конструкции расходомера, вызванных отклонением температуры от 20°С;
KE - поправочный коэффициент на влияние расширения газа за телом обтекания (коэффициент расширения);
ƒ - частота вихреобразования;
Р, Т и K - давление, температура и коэффициент сжимаемости газа;
РC=101325 Па и TC=293,15 K - стандартные условия.
Для нахождения функции преобразования, согласно которой должен выполняться алгоритм измерения расхода, решим следующую систему уравнений:
,
Возьмем отношение двух уравнений системы и разрешим ее относительно расхода Q. Коэффициенты преобразователя расходомера Kпр, температурные поправочные коэффициенты KT, коэффициенты расширения KE и параметры среды исключаются из функции преобразования системы, потому что носят постоянный характер в обоих тактах измерения расхода. Решение системы будет представлено следующей формулой:
,
где Q - расход, измеряемый вихревым преобразователем;
q - расход, измеряемый ультразвуковым расходомером;
ƒ1 - частота, снимаемая, пропорциональная расходу Q;
ƒ2 - частота, снимаемая, пропорциональная расходу Q-q.
Использование предлагаемого алгоритма вычисления расхода позволяет добиться повышения точности измерения расхода за счет исключения мультипликативной составляющей погрешности вихревого расходомера.
Информационно-измерительная система для измерения расхода и количества газа, состоящая из основного измерительного трубопровода с вихревым расходомером, датчиков давления и температуры, контроллера и запоминающего устройства, отличающаяся тем, что параллельно основному измерительному трубопроводу установлен байпасный измерительный трубопровод с установленным в нем образцовым ультразвуковым расходомером и краном, управляемым контроллером, при этом контроллер выполнен с возможностью осуществления алгоритма вычисления расхода по формуле:
где Q - расход, измеряемый вихревым преобразователем;
q - расход, измеряемый ультразвуковым расходомером;
ƒ1 - частота, снимаемая, пропорциональная расходу Q;
ƒ2 - частота, снимаемая, пропорциональная расходу Q-q.
