СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА ВЕЩЕСТВА Российский патент 2006 года по МПК G01F1/704 G01P5/20 

Изобретение относится к области измерений расхода и количества жидкости и газа интегральными методами и может найти применение преимущественно в трубопроводах большого диаметра, т.к. устройства измерения расхода и количества, как и способы, имеют при этом сравнительно большие погрешности. Устройства, реализующие этот способ, могут быть использованы для калибровки и поверки других, менее точных счетчиков количества и расходомеров непосредственно в рабочих трубопроводах без демонтажа рабочих приборов.

С 20-х годов 19-го века в связи с развитием гигантских электростанций США и отсутствием средств измерения расхода крупных водоводов Ван-Алленом был использован метод прививок. В пределах погрешности 1-2% он не требовал воспроизведения единицы расхода, как и измерения больших объемов воды с помощью мерников и часов для определения расхода.

Сущность способа проста, она базируется на том представлении, что вещество - "прививка", далее просто прививка, будучи введена в поток, движется в потоке со средней его скоростью, если вещество прививки достаточно однородно с самим потоком.

Измерение заключается в том, что в какой-то произвольный момент в одно из сечений потока быстро впрыскивают прививку, она перемешивается с частицами потока, образует в нем "облако". С некоторыми допущениями считается, что облако имеет нормальное распределение его частиц. Ниже по потоку, на базовом расстоянии h устанавливают детектор центра "облака", который находят либо по максимуму сигнала, либо по моде, якобы, нормального распределения, либо по медиане, используя квантильный подход, либо по центру тяжести. Затем определяют время прохождения базового расстояния h и, вычтя среднюю скорость течения как W=h/t, где t - время прохождения между двумя сечениями трубы, расчитывают расход как произведение средней скорости течения на среднее сечение трубы на длине базы h.

В дальнейшем способ Ван-Аллена был развит в многочисленных работах и их обобщенный результат был стандартизован как международный - ИСО 2975 (I-VII).

Заметим, что произвольный выбор способа определения центра прививки по максимуму сигнала, медиане или модулю совсем неоднозначен для различных эпюр примеси в облаке, потому что нельзя назвать эпюру распределением вообще, т.к. отсутствует нормировка. Эпюра прививки представляет собой сложнейший функционал, который только в первом приближении похож на нормальное распределение. Таким образом некоторый произвол в выборе критериев оценок эпюры прививки приводит к разным оценкам средней скорости, с которой соглашаются и погрешность которой стараются уменьшить различными ухищрениями.

Тем не менее многозначность измерений с погрешностью в 1-2% - не есть метрология вообще. Отсутствует основной критерий - единство измерений. В практике точного учета газа в магистралях, например, стандарт ИСО приведет лишь к разногласиям. Предлагаемый способ не может иметь ближайшим аналогом способ прививки, т.к. базируется на других исходных позициях. Доказательством тому служит утверждение стандарта ИСО 2975/VII-чч, стр.3 "...при малых числах Рейнольдса R<5000 никакое измерение не может быть произведено". Прототип не выявлен.

Устройства, изготовленные по предлагаемому способу имеют меньшую погрешность в ламинарном режиме, чем в турбулентном. Результат получен не методом коррекций, а так, как это следует из теоретической линейности преобразователя, исходящей из закона сохранения количества вещества.

Цель настоящего изобретения состоит в том, чтобы исключить влияние дисперсии или конвективного послойного переноса на результаты измерения средней скорости течения, использовав фундаментальное понятие о сохранении количества вещества.

Сущность изобретения заключается в следующем:

Нами показано (*избежать ссылки на первоисточник невозможно, т.к. невозможно в настоящем документе изложить кратко то, что сокращенно изложено в отчете по НИР весом в 2 кг), что прививка, образующая метку в потоке, репрезентативная характеристика которой центр тяжести, может представлять точное значение средней скорости только асимптотически, а практически это означает, что метка полностью смешалась со средой - носителем, т.е. самой метки уже не существует, не существует и сигнала от составляющих ее частиц. Частицы метки создают гораздо больший сигнал/шум, но все менее отражают среднюю скорость течения, т.к. медианальные оценки не применимы, а место центра тяжести метки не удается точно определить из-за разницы "хвостов" эпюры метки.

Положение "центра тяжести" метки по мере ухода от асимптотического решения смещается и оно не случайно, а закономерно, а следовательно, может учитываться. Производим это так. В произвольном сечении трубы некоторое время вводят известным способом прививку с нормированным ее количеством, прерывают процесс введения на такое же время, как длительность самого процесса введения. Далее снова вводят такое же количество прививки за такое же время, этот процесс можно продолжить. Ниже по потоку устанавливают датчик, интегрирующий сигнал от частиц прививки в объеме занимаемой им трубы (пренебрежем объемом прививки) к объему измеряемой среды.

Рассмотрим три практически важных случая.

1. Идеальная жидкость, симметричная характеристика преобразования датчика. В этих условиях жидкость ведет себя подобно твердому телу. Через интервал времени t=L/W, где L - расстояние от центра введения прививки до центра датчика; W - средняя скорость движения жидкости (в данном случае просто скорость движения), в датчике половину его займет прививка, во второй - ее нет. Обозначим величину сигнала за 0,5 по сравнению с той величиной сигнала, когда прививка займет весь датчик. Естественно, когда прививки нет в датчике, сигнал равен нулю. Изменение скорости приводит к изменению сигнала от 1 до 0 с переходом на границе зон через значение 0,5, которое соответствует действительному времени транспортирования. Смена порядка следования зон не изменяет значение сигнала 0,5, изменяется лишь его знак. Отклонение от значения 0,5 указывает на изменение скорости.

2. Те же самые условия, но жидкость реальная, режим течения турбулентный. Через интервал времени t половину датчика также займет прививка, часть ее из-за турбулентной диффузии займет и вторую половину датчика. Вследствие закона сохранения вещества и неразрывности потока, через границу зон возвратится такое же общее количество частиц прививки и частиц, не несущих признаки прививки. Как результат, сигнал в этом случае будет превышать на небольшую величину тот сигнал, который будет получен через время 2t при смене порядка следования зон. В силу того же самого процесса сигнал границы второй зоны точно на такую же величину будет меньше первого. Суммарный сигнал от границ 2-х зон по-прежнему будет равен нулю, разность их дает удвоенное значение погрешности в определенном времени транспортирования, а разность между сигналами границ, второй и третьей зоны, или первой, даст так же удвоенное значение погрешности, но с обратным знаком. В свою очередь, их сумма будет равна нулю, если средняя скорость определена верно и будет точно также уменьшаться или увеличиваться с изменение скорости, как и в 1-м случае идеальной жидкости.

3. Те же самые условия, но режим течения ламинарный. Известно, что в ламинарном режиме dN/dW=const, где N - число частиц среды, W - скорость. По этой причине число частиц со скоростями W>W вносят больший вклад в сигнал, чем то число частиц, скорость которых W<W. Поясним это. За один и тот же интервал времени равный времени транспортирования, большее количество частиц с большими скоростями попадает в датчик. Если они содержат прививку-сигнал больше в момент, когда по центру датчика находится основная масса частиц прививки, другая ее часть - наиболее быстрых - уже покинула датчик. Точно такое же количество частиц в результате закона сохранения количества вещества и принятой неразрывности потока должно восполнить уход наиболее быстрых частиц - он и восполняется, но смесью частиц прививки с неотмеченными частицами. Естественно смесь вносит меньший вклад в сигнал, чем чистая прививка. Если же последующая зона не содержит прививки, сигнал через время t будет в силу действия тех же законов на столько же меньше. По количеству частиц, присутствующих в датчике в моменты времени t и 2t, разделы зон идеально равны (в пренебрежении массой прививки). Это равенство не нарушается и случайными процессами турбулентности, следовательно, случайная составляющая ошибки измерения из-за гидродинамических причин отсутствует, а сами измерения средней скорости абсолютны.

Таким образом, для измерения действительной средней скорости течения жидкости в одном из сечений трубы создают протяженную область, занимающую объем трубы до места определения границы этой области, отличающейся от впереди идущей области каким-либо детектируемым признаком, например соленостью, коэффициентом поглощения каких-либо колебаний - оптических, ультразвуковых, электромагнитных, люминесценцией и т.д., создают такой же длительности следующую за ней область, не отличающейся по признакам от предшествующей ей области, измеряют амплитуду сигнала в месте предполагаемых границ областей, находят точное значение местонахождения границ по длине трубопровода, анализируя параметры сигнала нескольких границ.

В простейшем случае измеряют амплитуду сигнала от границ первой и второй зоны, запоминают это значение, измеряют амплитуду сигнала от границ второй и третьей зоны, также запоминая это значение, выравнивают абсолютные значения этих сигналов, корректируя время создания зон, снова измеряют разницы сигналов, итерационно доводя ее до нулевого значения. Время создания зон и будет временем транспортирования от центра создания границы зоны до центра детектора ее детектирующего. Другая разновидность способа нахождения длины базы, т.е. расстояния между местом образования раздела зон и центра устройства (детектора), ее определяющего, с тем, чтобы вычислить действующую скорость движения заключается в том, что время образования зоны модулируют, детектируя результаты этой модуляции и сравнивают интенсивности сигнала. Длительность модуляции можно выбрать таким образом, что в момент точного соответствия времени образования зон времени транспортирования сигналы первой и второй границ будут равны нулю.

Еще одна разновидность заключается в том, чтобы модулировать время опроса границ зон.

Достоинство этих разновидностей заключается в значительном уменьшении аддитивной составляющей погрешности измерения.

Как известно и как это замечено выше, ламинарный режим течения не содержит случайных пульсаций, подчиняющихся закону случайных величин, кроме броуновского движения, вклад которых в сигнал будет много меньше шумового вклада в сигнал при турбулентном движении. Законы движения в ламинарном режиме - детерминированы. В этом случае есть целесообразность его использования для повышения точности измерений, тем более это просто. Новое здесь заключается в организации ламинарного движения или специального "затягивания" момента его образования до чисел Рейнольдса, много превышающих величину Re=2300, и последующих операций, изложенных выше.

Изобретение может быть использовано для измерения расхода и количества жидкости или газа в трубопроводах большого диаметра с использованием, например, ЯМР-расходомеров. Через равные временные интервалы на измерительном участке с ламинарным режимом течения в сечении потока организуют границу раздела двух зон, каждая из которых имеет нормированную величину различающего их признака. Детектируют интегральное значение сигнала в объеме интегрирующего детектора ниже по потоку и вычисляют действительное значение средней скорости потока по длине базы и времени ее прохождения потоком для последующего определения расхода. Время прохождения потоком базы находят по отношению амплитуд сигналов последовательных выборок, производимых синхронно с моментами организации границы раздела зон. Изобретение обеспечивает повышение точности измерения расхода. 1 з.п. ф-лы.

1. Способ измерения расхода вещества, заключающийся в организации через равные интервалы времени в некотором сечении потока границы раздела двух зон, каждая из которых содержит нормированную величину различающего их признака, детектировании интегрального значения сигнала в объеме интегрирующего детектора ниже по потоку и вычислении действительного значения средней скорости потока по длине базы и времени ее прохождения потоком для последующего определения расхода, при этом действительное время прохождения потоком базы находят по отношению амплитуд сигналов последовательных выборок, производимых синхронно с моментами организации границы раздела зон.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для измерений организуют измерительный участок с ламинарным режимом течения.