СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАСХОДА ИЗМЕРЯЕМОЙ СРЕДЫ РАСХОДОМЕРАМИ ПЕРЕМЕННОГО ПЕРЕПАДА ДАВЛЕНИЯ С СУЖАЮЩИМИ УСТРОЙСТВАМИ Российский патент 1999 года по МПК G01F1/34 

Изобретение относится к области измерения расхода и количества жидкости, газа и пара приборами, широко применяемыми в различных отраслях промышленности и народного хозяйства.

Известно применение расходомеров переменного перепада давления (РПП) с сужающими устройствами (СУ). Эти приборы являются основными приборами промышленного контроля и учета вещества и энергоносителей. Популярность этого метода - результат проектного метода создания расходомеров, связанного с определением основных параметров по согласованным на международном уровне правилам расчета без проведения каких-либо экспериментальных работ [1, 2].

Стандартизованными методами решаются две задачи:
- проектирование РПП или задача синтеза (прямая задача [2]) - определение диаметра трубопровода в зоне первичного преобразователя (ПП), расчет внутреннего диаметра СУ (d₂₀), определение верхних пределов измерения дифманометра (ДМ) (Δp_н) и расходомера (q_mн), которые выбираются из ряда чисел, находящихся в нормальных рядах соответственно R5 и R10 по ГОСТ 18140-84, расчета относительной погрешности измерения расхода при верхнем пределе измерения (δq_н) или при расходе, соответствующем 2/3 шкалы (δq_ср), величины потерь давления в СУ (P_пд) и расчет необходимой длины прямолинейных участков до (L₁) и после (L_п) при проектировании первичного преобразователя;
- расчет текущего массового (q_m) или объемного (q_o) расходов по оперативной информации о перепаде давления на СУ (Δp), абсолютном давлении на входе в СУ (P_а), температуре измеряемой среды (T) и ее составе (y_i - мольные доли компонентов измеряемой среды), а также относительной погрешности определения расхода (δq), - задача анализа (обратная задача [2]).

В основе метода лежит уравнение течения (уравнение чувствительности ПП) измеряемой среды, которое отражает совместное проявление двух процессов: сохранения энергии потока при его перемещении через ПП и условия неразрывности потока. При проектировании уравнение течения имеет вид [1, 2]
q_mн= 0,25πα(β,D,Re)ε(β,χ,Δp/P_a)β²D²(2Δp_нρ)0,5,

(1)
где гидродинамические характеристики: α - коэффициент расхода СУ и ε - поправочный множитель на расширение измеряемой среды определены эмпирическими уравнениями, согласованными на международном уровне [2], число Рейнольдса
Re = (4/π)q_m/(Dμ). (2)
Измеряемая среда отражается через плотность ρ = ρ(P_a,T,y_i), коэффициент динамической вязкости μ = μ(P_a,T,y_i) и показатель изоинтропы (адиабаты) χ = χ(P_а,T,y_i) в рабочих условиях. Внутренний диаметр трубопровода (D), внутренний диаметр СУ (d) и относительный диаметр β = d/D зависят от температуры и материала трубопровода и СУ.

Из известных способов определения расхода наиболее близким является способ определения расхода измеряемой среды расходомерами переменного перепада давления с сужающими устройствами [3], включающий операции по определению внутреннего диаметра сужающего устройства и верхнего предела измерения дифманометра. При этом предел измерения дифманометра Δp_н согласно ГОСТ 18140-72 должен выбираться из ряда 1; 1,6; 2,5... 1600; 2500 кг/м² и далее из ряда 0,4; 0,63; . . . 6,3, 10 кг/см² так, чтобы получить относительную площадь сужающего устройства (m), соответствующую верхнему пределу измерения расходомера (q_mн).

Основным недостатком этого способа определения расхода измеряемой среды расходомерами переменного перепада давления с сужающими устройствами является низкая точность измерения. Наибольшую долю погрешности ПП в зоне оптимальных относительных площадей составляет погрешность аппроксимации экспериментальных данных формулой Штольца (для стандартных диафрагм δC = 0,6%), используемой при поиске зоны максимальной точности гидродинамических характеристик сужающего устройства по моделям, принятым в [1, 2].

Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является повышение точности определения расхода измеряемой среды.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе определения расхода измеряемой среды расходомерами переменного перепада давления с сужающими устройствами путем определения внутреннего диаметра сужающего устройства и верхнего предела измерения дифманометра, фиксируют значение относительного диаметра сужающего устройства, определяют внутренний диаметр сужающего устройства при заданном диаметре трубопровода, экспериментально определяют гидродинамические характеристики модели сужающего устройства с фиксированным значением относительного диаметра, а верхний предел измерения дифманометра определяют по полученным экспериментально гидродинамическим характеристикам и внутреннему диаметру сужающего устройства при фиксированных значениях верхнего предела измерения расходомера и состава измеряемой среды.

Дополнительный результат достигается в частном случае обеспечения максимального диапазона измерения при минимальных потерях давления тем, что оптимальное значение относительного диаметра сужающего устройства фиксируют равным 0,449.

Дополнительный результат достигается в частном случае обеспечения наибольшей эффективности диагностирования метрологических отказов первичного преобразователя при минимальных потерях давления тем, что оптимальное значение относительного диаметра сужающего устройства фиксируют равным 0,58.

Способ определения расхода измеряемой среды с повышенной точностью расходомерами переменного перепада давления с сужающими устройствами осуществляется следующим образом.

Фиксируются значения верхнего предела измерения (q_mн) расходомера, состав измеряемой среды (y_i - мольные доли компонентов измеряемой среды), внутренний диаметр трубопровода (D) в зоне ПП. Указанные данные обычно входят в число заданных данных при проектировании расходомера.

Далее фиксируется относительный диаметр (β). В общем случае численным значением β может быть любое число, записанное с точностью до пяти значащих цифр, которое удовлетворяет всем ограничениям, имеющим место в [1, 2]. В частном случае, когда поставлена задача обеспечения максимального диапазона измерения при минимальных потерях давления, значение β выбирается β = β_1опт= 0,449 (при этом границей Re_min = 5000 является β = 0,45). В другом частном случае, когда поставлена задача обеспечения наибольшей эффективности диагностирования метрологических отказов ПП при минимальных потерях давления значение β выбирается β = β_2опт= 0,58.
По заданному диаметру трубопровода и фиксированному значению относительного диаметра сужающего устройства определяют внутренний диаметр сужающего устройства d₂₀.

Чтобы избежать погрешность измерения, обусловленной формулой Штольца [1, 2], гидродинамические характеристики, а именно коэффициент расхода (α) и поправочный множитель на расширение измеряемой среды (ε) определяют при фиксированном значение β экспериментально, используя известные стенды РосТест.

Стенды РосТест - С.Петербург имеют следующие характеристики.

Среда - вода. Минимальный объемный расход (q_о)_min = 0,03 м³/ч; максимальный объемный расход (q_о)_1max = 70 м³/ч (относительная погрешность по расходу 0,3%) и (q_о)_2max = 600 м³/ч (относительная погрешность по расходу 0,2%). Максимальное давление 0,6 МПа.

Среда - воздух. Минимальный объемный расход (q_о)_min = 1,6 м³/ч н.у.; максимальный расход (q_о)_1max = 40 м³/ч н.у. и q_о)_2max = 1000 м³/ч н.у. (относительная погрешность 0,5%). Абсолютное давление 1 МПа и температура -50 - +50^oC. Эти стенды являются наиболее точными в России.

Используя указанные стенды, можно в 2-3 раза увеличить точность расчета коэффициента расхода при любом относительном диаметре СУ и довести относительную погрешность ПП до (0,2-0,3)%, отказавшись от аппроксимации Штольца.

Верхний предел измерения дифманометра определяют по уравнениям (1) и (2) по полученным экспериментально гидродинамическим характеристикам и внутреннему диаметру сужающего устройства при фиксированных значениях верхнего предела измерения расходомера и составе измеряемой среды.

При этом верхний предел измерения дифманометра не соответствует указанному выше ряду значений согласно ГОСТ 18140-72.

В настоящее время на рынке приборов появились дифманометры и манометры абсолютного давления, верхние пределы измерения которых фиксируются не числом из нормального ряда, а задаются диапазоном, в пределах которого верхний предел измерения может иметь любое (целое или дробное) число, на которое можно настроить дифманометр или манометр.

В частности для дифманометров фирмы FOXBORO типа 143DP указанные диапазоны имеют следующие размеры: 3,2 - 64; 32 - 640; 320 - 6400 mbar. При этом относительная погрешность при настройке на любое числовое значение из указанного диапазона не превышает 0,1%, а нормируемый диапазон выходного сигнала соответствует 4-20 mA.

Таким образом, значение верхнего предела измерения дифманометра, определенного согласно настоящему способу, устанавливается путем настройки вышеуказанного дифманометра.

Использование для определения расхода дифманометров повышенной точности и уменьшение погрешности измерения путем определения гидродинамических характеристик экспериментальным путем при фиксированном относительном диаметре позволяет повысить точность определения расхода до (0,2-0,3)%.

Источники информации
1. Правила измерения расхода газов и жидкостей стандартными сужающими устройствами. РД50-213-80 М.: Изд-во стандартов. - 319 с.

2. ISO 5167-1: 1991(E). Measurement of fluid by means of pressure differential device. - Part 1: Orifice plates, nozzle and Venturi tubes inserted in circular cross-section conduit runninq full. - Switserland. ISO. 1991. - 61 p.

3. П. П.Кремлевский. Расходомеры и счетчики количества. Справочник. Л.: Машиностроение. 1975 - с. 62.

Изобретение может быть использовано для измерения расхода жидкости, газа и пара. Определяют внутренний диаметр d сужающего устройства расходомера при выбранном значении его относительного диаметра и заданном диаметре трубопровода. Экспериментально определяют гидродинамические характеристики сужающего устройства с выбранным значением относительного диаметра. По полученным гидродинамическим характеристикам и внутреннему диаметру сужающего устройства при фиксированных значениях верхнего предела измерения расходомера и состава измеряемой среды определяют верхний предел измерения Δp_н дифманометра. Значения Δp_н и d используют для определения расхода. Изобретение позволяет повысить точность определения расхода среды до 0,2 - 0,3%. 2 з.п.ф-лы.

1. Способ определения расхода измеряемой среды расходомерами переменного перепада давления с сужающими устройствами путем определения внутреннего диаметра сужающего устройства и верхнего предела измерения дифманометра, отличающийся тем, что внутренний диаметр сужающего устройства определяют по заданному внутреннему диаметру трубопровода и выбранному значению относительного диаметра сужающего устройства, экспериментально определяют гидродинамические характеристики сужающего устройства с выбранным значением относительного диаметра, а верхний предел измерения дифманометра определяют по полученным экспериментально гидродинамическим характеристикам и внутреннему диаметру сужающего устройства при фиксированных значениях верхнего предела измерения расходомера и состава измеряемой среды. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что значение относительного диаметра сужающего устройства выбирают равным 0,449. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что значение относительного диаметра сужающего устройства выбирают равным 0,58.