СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАСХОДА ВЕЩЕСТВА Российский патент 1994 года по МПК G01F1/34 

Изобретение относится к области измерения расхода жидких и газообразных веществ и может быть использовано для повышения точности расходомеров переменного перепада давления, находящегося в длительной непрерывной эксплуатации.

Известен способ измерения расхода веществ с помощью расходомеров с сужающим устройством, в котором мерой расхода протекающего по трубопроводу вещества является величина перепада давления Δ Р, возникающая за счет уменьшения величины статического давления вещества в месте сужения по сравнению с величиной давления перед сужением [1].

Недостатком данного способа является ограниченная точность, характеризуемая предельной погрешностью обычно не менее ±(1,5-3%) от предела шкалы расходомера. Суммарная погрешность результата измерения зависит, во-первых, от состояния поверхности сужающего устройства, диаметра трубопровода, постоянства давления и температуры измеряемой среды, а, во-вторых, от погрешностей, вносимых преобразователем давления в выходной электрический сигнал и вторичным измерительным прибором.

Известен способ измерения расхода веществ расходомером переменного перепада давления с коррекцией на изменение давления и температуры текущей по трубопроводу среды. В этом случае повышение точности измерения достигается непрерывным измерением и учетом указанных переменных, от которых зависит плотность среды, непрерывным вычислением действительной плотности и введением ее в уравнение расхода для автоматического пересчета показаний расходомера. Значения расхода вещества, приведенного к условиям градуировки расходомера, получают путем умножения показания расходомера на поправочный коэффициент [2].

Недостатком данного способа является то, что с его помощью удается скомпенсировать лишь одну составляющую суммарной погрешности, обусловленную изменением плотности текущей среды. При этом на результат измерения существенное влияние продолжают оказывать погрешности, определяемые сужающим устройством.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ определения расхода и устройство для его осуществления [3], согласно которому расход вещества определяют с помощью результатов дополнительных измерений по формуле
Q_x= , (1) где Δ Q_o - дополнительный калиброванный расход, на величину которого изменяют установившийся расход;
Z₁ - сигнал на выходе дифманометра, соответствующий текущему установившемуся расходу;
Z₂ - сигнал на выходе дифманометра, соответствующий измененному расходу на величину дополнительного калиброванного расхода;
Z₃ - 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.

Данный способ позволяет получить результат измерения расхода вещества, независимый от мультипликативной и аддитивной составляющих погрешностей, вносимых как первичным измерительным преобразователем (служащим устройством), так и трактом преобразования измерительной информации (дифманометр, линия связи, вторичный прибор).

Однако недостатком способа является присутствие в получаемом результате измерения существенной остаточной методической погрешности, обусловленной используемой здесь линейной аппроксимацией параболической функции преобразования расходомера Q = f() в окрестности рабочей точки, определяемой значением измеряемого расхода Q_x.

Практическая реализация этого способа вызывает серьезные трудности, связанные с выбором оптимального значения величин вариаций определяемого расхода, при которых обеспечивалась бы требуемая точность измерения.

Целью изобретения является повышение точности измерения расхода веществ расходомером переменного перепада давления путем исключения из результата измерения погрешности обусловленной линейной аппроксимацией функции преобразования расхода в окрестностях рабочей точки, а также снижения трудоемкости измерений путем снятия ограничений сверху в выборе величин регистрируемых вариаций определяемого расхода.

Сущность предложенного способа заключается в следующем. Объемный расход жидкости, протекающий через сужающее устройство, определяется известной зависимостью
Q_x= 0,01252·α·ε·m·D , (1') где α - коэффициент расхода, зависящий от в ламинарной области и не зависящий в турбулентной;
ε - коэффициент расширения, причем для капельной жидкости ε= 1, а для паров и газов ε≠1;
m = - модуль сужающего устройства;
ρ - плотность среды в сечении перед входом потока в отверстие диафрагмы;
Р₁ и Р₂ - давление в трубопроводе до диафрагмы и давление за диафрагмой соответственно;
D - диаметр трубопровода;
Из (1) перепад давления на сужающем устройстве Δ Р = Р₁-Р₂ равен
Δp = (2) Соответствующий выходной электрический сигнал (напряжение) дифференциального манометра имеет значение
U = K₁ ˙ΔP, (3) где К₁ - коэффициент чувствительности.

С учетом (2) выражение (3) представляется в виде
U = K₁· ·Q2x

С учетом погрешности измерительного преобразования расходомера - мультипликативной γ = (ΔS - абсолютная погрешность коэффициента S) и аддитивной Δ U (смещение нуля градуировочной характеристики расходомера U = f(Q)²), выходной сигнал дифференциального манометра, соответствующий определенному значению Q_x установившегося расхода вещества, имеет вид
U = S˙(1+ γ)˙Q_x²+ Δ U. (5)
Относя значение выходного сигнала расходомера к моменту времени, например, τ₁, получим
U₁ = S₁(1+ γ₁ )˙Q_x²+ Δ U₁. (6) Выходной сигнал (напряжение) дифманометра U₁ измеряют и запоминают.

Затем увеличивают расход вещества через сужающее устройство на калиброванную величину Δ Q_o. При этом смещение рабочей точки учитывают непосредственно по самой характеристике расходомера, а не по касательной к параболе, как в прототипе, что исключает появление погрешности аппроксимации и позволяет осуществлять выбор и задание калиброванной величины расхода Δ Q_o в произвольном широком интервале и одновременно обеспечить требуемую точность измерений.

Соответствующий выходной сигнал дифманометра, отнесенный ко времени τ₂, будет иметь значение
U₂ = S_2˙(1+ γ₂)(Q_x+ Δ Q_o)²+ Δ U_2. (7)
Выходной сигнал дифманометра U₂ измеряют и запоминают.

Далее уменьшают суммарный расход вещества (Q_x+ Δ Q_o) через сужающее устройство в заданное число раз. В этом случае в момент времени τ₃ выходной сигнал дифманометра становится равным U₃=S₃˙(1+γ₃)˙[η˙(Q_x+Δ<N>Q_o)]²+Δ<N>U₃, (8) где η - коэффициент шунтирования потока вещества в трубопроводе.

Согласно предлагаемому способу на величину коэффициента η не устанавливаются какие-либо ограничения как в прототипе, где должно быть η = 0,8-0,9, поскольку смещение рабочей точки учитывают непосредственно по самой характеристике расходомера, а не по касательной к ней. Это исключает появлению погрешности аппроксимации, не требует проведения в процессе эксплуатации частых градуировок реальной характеристики для выбора значения η в указанных узких пределах. Результат измерения выходного сигнала U₃ также запоминают.

Последующей операцией восстанавливают исходный установившийся расход вещества в трубопроводе путем прекращения дополнительного калиброванного расхода ΔQ_o. Уменьшившемуся значению расхода соответствует сигнал, регистрируемый в момент времени τ₄;
U₄ = S₄˙ (1+ γ₄)( η Q_x)²+ Δ U₄, (9)
С учетом того, что чувствительность и погрешности на достаточно коротком интервале времени τ₁... τ₄ не изменяются (S₁=S₂=S₃=S₄; γ₁=γ₂=γ₃=γ₄; Δ U₁= =Δ U₂= ΔU₃= Δ U₄) уравнения (6), (7), (8) и (9) представляются в виде следующей системы уравнений:
(10)
В результате решения системы уравнений (10) относительно искомой величины расхода Q_x получают соотношение:
Q_x= (N+ )·ΔQ_o, (11) где N = .

Таким образом, определение расхода по формуле (11) позволяет по сравнению с прототипом исключить из результата измерения не только мультипликативную и аддитивную γ,ΔU составляющие погрешности, вносимые как первичным измерительным преобразователем (диафрагмой) и электрическим трактом преобразования измерительной информации (дифманометр, линия связи, вторичный показывающий прибор), но и методическую погрешность способа, обусловленную линейной аппроксимацией функции преобразования расходомера в окрестности рабочей точки, определяемой значением установившегося расхода вещества в трубопроводе. Кроме того, достигается положительный эффект, состоящий в том, что снимаются ограничения в выборе величин Δ Q_o и η, которые согласно известному способу можно было выбрать в узких пределах лишь после снятия текущей градуировочной характеристики расходомера, непрерывно меняющихся в условиях эксплуатации под воздействием различных дестабилизирующих факторов.

В качестве примера реализации заявляемого способа рассматривается способ определения расхода промывочного раствора в технологической линии изготовления искусственных кож.

Объемный расход, определенный образцовыми средствами, составил 4±0,01 м³/ч. При определении расхода по заявляемому способу получены следующие данные:
U₁ = 4,32648 B: U₂ = 6,66999 B;
U₃ = 1,78768 B; U₄ = 1,20180 B.

Вариации расхода осуществлялись произвольно при практически удобных величинах: Δ Q_o = 1± 0,0025 м/ч; η= 0,5.

Используемый дифманометр характеризуется следующими данными:
S = 0,25 B/м³/ч; γ = 4%; ΔU = 0,04 м³/ч.Определенный по заявляемому способу расход оказался равным 3,98678 м³/ч.

При осуществлении вариаций расхода (4± 0,01) м³/ч с помощью другого значения калиброванного добавочного расхода, например, Δ Q_o¹ = 2 ±0,005 м³/ч и другого коэффициента шунтирования, например, η¹ = 0,3 получили следующие данные:
U₁ = 4,32647 В; U₂ = 9,54856 B;
U₃ = 1,00541; U₄ = 0,53600 B.

Определяемый расход оказался равным 3,98979 м³/ч.

В приведенном примере реализации заявленного способа расход определен с погрешностью не более - 0,33% при двух произвольных значениях величин Δ Q_o и η .

На чертеже приведена структурная схема устройства, реализующего описанный способ.

Устройство для определения расхода веществ содержит трубопровод 1 с установленным в нем сужающим устройством 2, дифференциальный манометр 3, к которому через линию связи 4 подключен аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 5, соединенный двухсторонней связью с общей шиной 6 микроЭВМ 7. Сужающее устройство 2 снабжено подвижной сегментной диафрагмой 8, положение которой и соответствующее сечению сужающего устройства 2 задается исполнительным устройством 9, соединенным двухсторонней связью с общей шиной 6. Запорный вентиль 10, управляемый исполнительным устройством 11, установлен на входе центробежного насоса 12 с электродвигателем 13 и исполнительным устройством 14, выход насоса 12 соединен с входом накопительной емкости 15, к выходу которой подключен задатчик 16 образцового расхода, соединенный своим выходом с трубопроводом 1. Задатчик 16 управляется исполнительным устройством 17, соединенным двухсторонней связью с общей шиной 6, к которой посредством двухсторонней связи присоединен дисплей 18.

Устройство работает следующим образом. По трубопроводу 1 протекает жидкость, расход которой определяется. В накопительную емкость 15 через управляемый вентиль 10 насосом 12 та же жидкость периодически подкачивается до ее заполнения. В сужающем устройства 2 сегментная диафрагма 8 установлена в исходном состоянии.

В момент времени τ₁, отнесенный к началу измерительного цикла, регистрируется в памяти микроЭВМ 7 кодовое значение (6) сигнала АЦП 5, соответствующее показанию манометра 3. Затем по команде микроЭВМ 7 включается задатчик 16 образцового расхода и в момент времени τ₂регистрируется значение (7) увеличенного на калиброванную величину ΔQ_oрасхода Q_x. Далее по команде микроЭВМ 7 исполнительное устройство 9 перемещает сегментную диафрагму 8, уменьшая сечение сужающего устройства 2 и соответственно расход жидкости через него в заданное число раз, а затем в момент времени τ₃ соответствующее значение (8) регистрируется в памяти микроЭВМ 7. Наконец, микроЭВМ 7 выключает задатчик расхода 16 и в момент времени τ₄ регистрирует кодовое значение (9) сигнала АЦП 5, соответствующее измененному расходу.

МикроЭВМ 7 вычисляет величину расхода по математическому выражению (11), а результат этого вычисления индицируется на дисплее 18. Для подготовки устройства к следующему измерительному циклу микроЭВМ 7 с помощью исполнительного устройства 9 устанавливает сегментную диафрагму 8 в исходное состояние.

Использование предлагаемого способа определения расхода позволяет по сравнению с известными способами повысить точность (0,33% против 0,5%) без проведения операции снятия градуировочной характеристики расходомера, что при произвольных вариациях измеряемой величины существенно сокращает трудоемкость выполнения измерений.

Кроме того, повышение точности по предлагаемому способу также достигается за счет существенного снижения случайной составляющей погрешности, поскольку выполняемые вариации измеряемой величины и соответствующие им вариации регистрируемого выходного сигнала теперь могут существенно превышать уровень из случайных влияющих факторов.

Использование: для измерения расхода жидких и газообразных веществ. Сущность изобретения: при пропускании потока измеряемого вещества через сужающее устройство измеряют перепад давления U₂ , увеличивают расход на величину дополнительного колиброванного расхода и повторно измеряют перепад давления U, уменьшают суммарный расход в произвольное число раз, вновь измеряют перепад давления U₃ , прекращают подачу дополнительного колиброванного расхода, измеряют перепад давления U₄ , причем величину дополнительного калиброванного расхода ΔQ_o выбирают произвольно, а расход определяют по формуле, включающей измеренные величины. 1 ил.

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАСХОДА ВЕЩЕСТВА, при котором измеряют перепад давления U₁ на сужающем устройстве, увеличивают измеряемый расход на величину дополнительного Δ Q_o калиброванного расхода, повторно измеряют перепад давления U₂ на сужающем устройстве, уменьшают суммарный расход в заданное число раз и вновь измеряют перепад давления U₃ на сужающем устройстве, прекращают подачу дополнительного калиброванного расхода, снова измеряют перепад давления U₄ на сужающем устройстве и находят величину расхода по измеренным величинам, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и снижения трудоемкости измерения, величину дополнительного калиброванного расхода и степень уменьшения суммарного расхода выбирают произвольно, при этом искомое значение расхода определяют по формуле
Q = N+ Q_o,
где N = .