СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПОСТАВКИ ГАЗА И ГАЗОВЫЙ СЧЕТЧИК ПОВЫШЕННОЙ ТОЧНОСТИ Российский патент 2008 года по МПК G01F15/04 G01F15/06 G01F1/69 G01N33/22 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к области измерения поставки газа датчиками расхода и, в частности, тепловыми датчиками расхода. Оно касается способа измерения и газового счетчика для измерения потребления газа согласно ограничительным частям независимых пунктов формулы изобретения.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

В документе WO 01/96819 А1 описан газовый счетчик, который откалиброван как устройство для измерения энергии. Калибровка основана на определении значений сигнала датчика в зависимости от расхода калибровочного газа и хранении их в газовом счетчике в виде калибровочной кривой датчика. Калибровочную кривую или значения сигнала датчика умножают на коэффициент преобразования сигнала и коэффициент теплотворности для базовой газовой смеси, чтобы полученное произведение показывало потребление газа в единицах энергии. При калибровке счетчика в единицах энергии с помощью дополнительного поправочного коэффициента можно по меньшей мере приблизительно учитывать фактическую теплотворность поставляемой газовой смеси. В качестве фактической теплотворности можно использовать измеренную теплотворность, усредненную за конкретный период времени. Недостатком является то, что для определения теплотворности требуется внешний блок.

В ЕР 1227305 описаны способ и газовый счетчик для определения потребления газа на основе откорректированного сигнала массового расхода или сигнала поставляемой энергии. Для неподвижного газа путем измерения времени нагревания определяют температуропроводность и из нее находят зависящее от газа корректирующее значение f* для массового расхода или поставленной энергии.

В ЕР 0373965 описаны способ и устройство для определения потребления газа или энергии на основе откорректированного сигнала массового расхода. При коррекции сигнала учитывают удельную теплопроводность, удельную теплоемкость и плотность газа. Откорректированный сигнал массового расхода и, следовательно, сигнал потребления газа или энергии не зависит от вида газа и, в частности, одинаков для воздуха, аргона, гелия, двуокиси углерода, метана и пропана. Недостатком является то, что сигнал массового расхода при такой нормализации нечувствителен к теплотворности газа или газовой смеси, поскольку горючие газы с различными теплотворностями (например, метан или пропан) приводят к выработке одинаковых сигналов массового расхода, и такие же сигналы создаются даже негорючими газами (например, гелием, аргоном, двуокисью углерода или воздухом).

В патенте США №5311447 описаны способ и устройство для определения удельной теплотворности природного газа без его сжигания. При этом определяют значение удельной теплотворности, плотность или долю инертных газов с помощью эмпирических формул по измеренным величинам вязкости, теплопроводности, теплоемкости, оптического поглощения и т.д. Большой объем измерений и сложность вычислений создают трудности при количественном измерении множества зависящих от типа газа независимых параметров для различных газов, а в случае комбинаций таких газов дополнительной сложностью является измерение объемного расхода в газовом счетчике с целью определения количества потребляемой энергии.

В документе WO 01/18500 раскрыт усовершенствованный способ измерения массового расхода с помощью двух тепловых анемометров на основе комплементарной структуры металл-окисел-полупроводник (КМОП-анемометров). Для неподвижного газа производят измерения удельной теплопроводности в случае постоянной теплопроизводительности и измерения теплоемкости в случае импульсной теплопроизводительности, газ идентифицируют и по величине удельной теплотворности совместно с измерением массового расхода определяют полную теплотворность газа. Недостатком является относительная сложность определения потребляемого количества энергии по отдельным значениям массового расхода и удельной теплотворности. Кроме того, для достаточно точного определения поставляемой энергии значение удельной теплотворности должно измеряться непрерывно и с высокой точностью.

В статье D.Hoburg, P.UIbig "Gesetzliches Messwesen und Brennwertrekonstruktionssysteme", Gas Ergas 143 (2002) No 1, рассмотрены системы определения теплотворности для газовых сетей с различными теплотворностями газов. Путем моделирования потоков природного газа в газораспределительной сети и измерения таких данных, как температура и давление, можно вычислить состав газа в любых точках газораспределительной сети. В частности, теплотворность поставляемого газа в пункте его подачи клиенту может быть вычислена динамически по значениям теплотворности поступающего газа, значениям расхода поступающего и поставляемого газа и дополнительным вспомогательным величинам, например давлению в сети. Данные о типичном составе газа, которые должны быть определены путем измерений в пунктах подачи, представляют собой теплотворность, стандартную плотность, содержание CO₂ и содержание Н₂. Недостатком также является то, что геометрия и топология сети, в частности шероховатость труб, в основном известны в недостаточной степени, и вычисления при моделировании в целом становятся неточными. Кроме того, результат вычислений при моделировании в значительной мере зависит от выбранной модели потока в трубе и от доступных вычислительных мощностей.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Целью настоящего изобретения является создание способа и устройства для более точного определения поставляемой газовой энергии. Эта цель достигается в соответствии с независимыми пунктами формулы изобретения.

В своем первом аспекте настоящее изобретение относится к способу измерения поставки газа, в частности, в частном, общественном или промышленном секторах с помощью газового счетчика, который расположен в пункте поставки газа газораспределительной сети, где измеряемый сигнал V_s, V_ns, M_s, E_s, соответствующий потребляемому количеству газа и/или потребляемой энергии газа, определяют газовым счетчиком посредством датчика расхода, при этом известен коэффициент f_i (или f_i′, f_i′′, f_i′′′) ошибки датчика газового счетчика для определения расхождений между потреблением, измеренным газовым счетчиком, и фактическим потреблением, известен профиль потребления I_i (а также I_i′, L_i) для потребления газа, этот профиль является характеристикой пункта поставки газа, причем коэффициент f_i ошибки датчика и профиль I_i потребления для расчетного периода могут быть определены как функции общей переменной t или Т, и определяют взвешенный по потреблению поправочный коэффициент F за расчетный период путем усреднения коэффициента f_i ошибки датчика, взятого с весом, определяемым профилем I_i потребления, и с помощью поправочного коэффициента F измеряемый сигнал V_s, V_ns, M_s, E_s преобразуют в выходное значение V_n, М, Е. Преобразование может быть осуществлено в газовом счетчике или вне его, например у оператора газораспределительной сети. Коэффициент f_i ошибки датчика учитывает присущие методу типичные ошибки измерения газового счетчика или датчика расхода, зависящие от типа газа. Профиль I_i потребления предназначен для как можно более реалистичного воспроизведения характеристики изменения потребления энергии потребителем газовой энергии. Он может быть выражен в любых единицах расхода, например как объемный расход, массовый расход или расход энергии газа. Поправочный коэффициент F обычно вычисляют умножением или аналогичным преобразованием измеряемых сигналов. Способ и газовый счетчик согласно настоящему изобретению имеют существенное преимущество, поскольку изменения состава газа берут с весом, определяемым характеристикой потребления отдельного клиента, и используют только в такой зависящей от клиента форме для коррекции измеряемого сигнала V_s, V_ns, M_s, E_s. В результате точность измерения объема, массы или энергии газа значительно возрастает.

В одном из вариантов выполнения настоящего изобретения измеряемый сигнал представляет собой сигнал V_s рабочего объема, сигнал V_ns стандартного объема, сигнал M_s массы газа или сигнал E_s энергии газа, измеряемый газовым счетчиком, и/или выходное значение представляет собой стандартный объем V_n поставляемого газа, массу М поставляемого газа или энергию Е поставляемого газа.

В другом варианте выполнения настоящего изобретения усреднение включает суммирование и/или интегрирование по общей переменной произведений, которые содержат коэффициент ошибки датчика и профиль потребления, и/или усреднение осуществляют, учитывая профиль Н_i (или H_i′) теплотворности относительно общей переменной. В частности, усреднение включает соответствующую нормировочную функцию.

Преимущество варианта выполнения настоящего изобретения по п.4(а) состоит в том, что измеряемый сигнал может складываться в газовом счетчике в течение, например, полугода или целого года, считываться служащим газовой службы или передаваться и только впоследствии корректироваться с учетом изменения состава газа и, в частности, его теплотворности. Поправочный коэффициент F может быть определен путем независимо выполненного усреднения, в частности априорного, одновременного или апостериорного относительно обнаружения измеряемого сигнала. Следовательно, в случае нерегистрирующих газовых счетчиков усредненный по времени измеряемый сигнал можно откорректировать для конкретного клиента при минимальной сложности и без необходимости локального обнаружения изменений теплотворности и/или профилей газовой нагрузки или передачи этих данных в пункт поставки газа. Последующая коррекция измеряемого сигнала также в принципе может быть осуществлена непосредственно в газовом счетчике.

Преимущество варианта выполнения настоящего изобретения по п.4(б) состоит в том, что измеряемый сигнал может быть в процессе регистрации обнаружен и преобразован или откорректирован немедленно или с небольшим запаздыванием с помощью поправочного коэффициента F, определенного для текущего момента. В этом текущем поправочном коэффициенте F могут быть учтены, например, измеренные или прогнозируемые значения коэффициента f_i ошибки датчика, значения профиля I_i потребления и, при необходимости, значение теплотворности Н_i. В результате регистрирующий газовый счетчик может производить измерения с самой высокой точностью. Текущая коррекция измеряемого сигнала может осуществляться в газовом счетчике или вне газового счетчика.

Преимущество варианта выполнения изобретения по п.5 состоит в том, что в случае известного состава газа коэффициент f_i ошибки датчика и, при необходимости, теплотворность H_i могут быть определены немедленно.

Преимущество варианта выполнения изобретения по п.6 состоит в том, что состав газа уже известен оператору или может быть легко определен оператором и/или может быть вычислен с помощью известных моделей для потоков газа в газораспределительной сети.

Преимущество варианта выполнения изобретения по п.7 состоит в том, что коэффициент f_i ошибки датчика, профиль I_i потребления и, при необходимости, теплотворность Н_i могут быть представлены как функции времени или температуры и усреднены вместе.

Преимущество вариантов выполнения изобретения по п.п.8 и 9 состоит в том, что локальный потребитель газа может выбрать профиль потребления газа или профиль I_i нагрузки, который можно легко задать и при необходимости легко обновить, который не требует сложных вычислений и, в частности, большого объема памяти и/или характеризуется наилучшим ожидаемым прогнозированием потребления газа.

Варианты выполнения изобретения по п.п.10-12 относятся к конкретным описаниям точного вычисления поправочного коэффициента F при использовании газового счетчика в качестве устройства для измерения объема газа, массы газа или энергии газа.

Варианты выполнения настоящего изобретения по п.п.13-15 относятся к калибровке газового счетчика в качестве устройства для измерения энергии, в частности, с возможностью учета собственной внутренней зависимости сигнала теплового датчика расхода от теплотворности H_i с целью повышения точности измерения энергии газа.

В своем втором аспекте настоящее изобретение относится к газовому счетчику, предназначенному для измерения поставки газа, в частности, в частном, общественном или промышленном секторе, при этом газовый счетчик расположен в пункте поставки газа газораспределительной сети и содержит датчик расхода, а также измерительно-вычислительное устройство, предназначенное для определения измеряемого сигнала V_s, V_ns, M_s, E_s, соответствующего потребляемому количеству и/или потребляемой энергии газа, и вычислительные средства для определения и/или хранения коэффициента f_i (а также f_i′, f_i′′, f_i′′′) ошибки датчика газового счетчика и профиля I_i (а также I_i′, L_i) потребления, который характеризует пункт поставки газа, а также для вычисления поправочного коэффициента F путем взвешенного усреднения коэффициента f_i ошибки датчика с весом, определяемым профилем I_i потребления, а кроме того, средства вычисления для преобразования измеряемого сигнала V_s, V_ns, M_s, E_s с помощью поправочного коэффициента F в выходное значение V_n, M, Е газового счетчика. Предпочтительно, чтобы имелось запоминающее устройство для хранения коэффициента f_i ошибки датчика и профиля I_i потребления как функций общей переменной времени и/или температуры, причем вычислительные средства и/или запоминающее устройство могут быть расположены вне газового счетчика или в газовом счетчике.

Варианты выполнения изобретения по п.п.18-20 отличаются особенно простой конструкцией и работой газового счетчика в качестве устройства для измерения энергии.

Другие варианты выполнения настоящего изобретения, его преимущества и применения раскрыты в зависимых пунктах формулы изобретения, а также в описании и на сопровождающих чертежах.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

На фиг.1 показано сечение трубы с потоком газа, а также тепловой газовый счетчик со средством улучшенной коррекции измеряемого сигнала;

на фиг.2 схематично показана газораспределительная сеть;

на фиг.3 показан профиль потребления газа в пункте поставки газа; и

на фиг.4 показаны экспериментальные кривые для природного газа, демонстрирующие частичную корреляцию усредненных за месяц значений сигналов датчика теплового газового счетчика со значениями теплотворности природного газа.

На чертежах одинаковые элементы обозначены одинаковыми позициями.

ВАРИАНТЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

На фиг.1 показан газовый счетчик 1, содержащий тепловой датчик 1а потока или массового расхода, чувствительный элемент которого расположен в канале потока или трубе 2, и измерительно-вычислительный блок 7. В трубе 2 протекает газ 3b с профилем 4 потока и скорости. Чувствительный элемент датчика 1а подвергается воздействию потока и измеряет его скорость v. Проходной датчик 1а включает нагревательный элемент 6, первый температурный датчик 5а, расположенный выше по потоку, и второй температурный датчик 5b, расположенный ниже по потоку. По температурным сигналам T₁, T₂ от температурных датчиков 5а, 5b известным способом может быть определен сигнал S массового расхода или стандартного объемного расхода. Основной режим работы основан на том, что распределение температуры в потоке 4, создаваемое нагревательным элементом 6, становится асимметричным, и разность температур T₁-Т₂, обнаруженная температурными датчиками 5а, 5b, используется в качестве меры скорости потока v или массового расхода dm/dT. Сигнал S массового расхода с хорошей точностью пропорционален разности температур T₁-Т₂. Кроме того, в рассматриваемом случае определяются и подаются на выход сигналы E_S энергии с помощью первого базового коэффициента Н_CH теплотворности по отношению к базовой газовой смеси, посредством измерительного блока 7 на основе сигнала S массового расхода или, в общем случае, сигнала S проходного датчика 1а. Таким образом обеспечивается калибровка газового счетчика 1 как устройства для измерения энергии. Такая калибровка устройства для измерения энергии раскрыта в документе WO 01/96819 А1, содержание которого полностью включено в настоящее описание путем ссылки. Аналогично три упомянутые в нем статьи авторов J.Robadey и F.Mayer, которые относятся к КМОП-анемометру, также включены в настоящее описание путем ссылки. Описанный в них КМОП-анемометр особенно хорошо подходит для использования в качестве чувствительного элемента проходного датчика 1а.

Согласно настоящему изобретению обычно зависящий от вида газа коэффициент f_i, f_i′, f_i′′, f_i′′′ ошибки газового датчика и зависящий от конкретного потребителя профиль I_i, I_i′ L_i расхода определяют или обнаруживают газовым счетчиком 1, на основании этого вычисляют поправочный коэффициент F и с его помощью измеряемый сигнал V_s, V_ns, M_s, E_s газового счетчика 1, в частности сигнал E_s энергии, преобразуют в выходные значения V_n, М, Е, в частности в энергию Е газа, с повышенной точностью калибровки. Способ подробно изложен в описании для различных вариантов выполнения настоящего изобретения.

Вместо датчика 1а расхода с двумя температурными датчиками 5а, 5b и, в частности, вместо КМОП-анемометра 1а в общем случае можно также использовать тепловой датчик расхода с целью использования газового счетчика 1 в качестве измерителя объема, массы или энергии; в таком датчике расхода газ 3b направляется через чувствительный элемент датчика, в котором имеются средства нагрева для изменения температуры и средства определения температуры, и зависящее от потока изменение температуры, в свою очередь, является мерой величины проходящего потока или массового расхода. Альтернативно тепловой датчик 1а расхода может также работать только с одним температурным датчиком 5а, который расположен выше по потоку. Способ согласно изобретению может также быть осуществлен с использованием любого нетеплового газового счетчика 1, который на основе величины проходящего потока, например массового расхода, выдает калиброванные сигналы. В общем случае массовый расход dm/dt может быть выражен через единицы массы или, в случае постоянного вида газа, через единицы стандартного объема, например кг/мин, или может быть определен по объемному расходу dV/dT через плотность ρ согласно выражению dm/dt=ρ*dV/dT.

На фиг.2 показана схема газораспределительной сети 11 с пунктами 12 поставки газа, потребителями 13 и точками 15 измерения, в частности, для измерения расхода и, при необходимости, давления или температуры. Управление распределительной сетью 11 и ее контроль осуществляет центральная станция или оператор 10. Пункт поставки газа, в котором установлен газовый счетчик 1, выполненный согласно изобретению, обозначен позицией 14. Состав 3а поставляемого газа или состав 3b газа, имеющегося в пункте 14 поставки газа, может быть определен оператором 10 газораспределительной сети 11, например, по эмпирическим, измеренным, прогнозируемым значениям или вычисленным на их основе значениям качества газа. Состав 3b газа в пункте 14 поставки газа может быть также вычислен по меньшей мере приблизительно по параметрам качества поставляемого газа с помощью моделирования газовых потоков в газораспределительной сети 11. С соответствующими способами можно ознакомиться, например, в упомянутой выше статье авторов D.Hoburg и P.Ulbig, которая полностью включена в настоящее описание путем ссылки.

Предпочтительно показания газового счетчика 1, управляемого общепринятым способом без регистрации, время от времени считываются и затем интегральный измеряемый сигнал V_s, V_ns, M_s, E_s преобразуется в более точные выходные значения V_n, М, Е. Преобразование может быть осуществлено позже в газовом счетчике 1 или предпочтительно вне его, например у оператора 10 сети.

Способ может также быть применен к регистрирующему газовому счетчику 1. Для этой цели газовый счетчик 1 содержит приемный блок 9, предназначенный для приема данных о теплотворности газовой смеси 3b, присутствующей в пункте 14 поставки газа, из внешнего блока 10, в частности от оператора 10 всей газораспределительной сети 11 или части сети. Оператор 10 может получать измеренные данные самостоятельно или через внешние пункты и может использовать средства анализа для определения состава 3а газа. Он может снабжать локальный газовый счетчик 1 необработанными или готовыми данными, в частности профилем H_i, H_i′ удельной теплотворности для местного состава 3b газа или для состава газа в соответствующей подсети. Вычисление и передачу данных газовому счетчику 1 можно повторять через заданные временные интервалы. Надежность измерения энергии значительно повышается, поскольку при использовании глобальных и локальных данных можно достичь лучшей коррекции значений теплотворности. Глобальные данные относятся к подаче газа и распределению газа в сети. Они находятся у оператора 10 и могут использоваться известным способом для определения местного состава 3b газа, относящегося к пункту 14 поставки газа. Данные, которые относятся к локальному потреблению I_i, I_i′, L_i газа клиентом и которые могут быть обнаружены газовым счетчиком 1, могут быть собраны непосредственно на месте или определены другим способом. Путем комбинации этих данных энергию Е поданного газа, измеряемую устройством 1 измерения энергии, удается определить со значительно большей точностью. Это комбинирование данных и преобразование измеряемого сигнала V_s, V_ns, M_s, E_s в сторону более точных выходных значений V_n, M, Е может быть осуществлено в газовом счетчике 1 или вне газового счетчика 1, например у оператора 10 сети. На фиг.1 позиция 9 в этом случае представляет собой блок передачи, предназначенный для передачи измеряемых сигналов V_s, V_ns, M_s, E_s в центральную станцию 10, где предпочтительно имеются вычислительные блоки 7а, 7b и/или запоминающее устройство 7d.

На фиг.3 показан профиль (характеристика изменения) нагрузки для потребителя газа в пункте 14 подачи газа. Профили I_i, I_i′, L_i потребления могут быть профилем I(Т) нагрузки по количеству газа относительно стандартного объема V_n, профилем I_i′(Т) нагрузки по массе газа относительно массы М газа или профилем L_i(Т) нагрузки по энергии газа относительно энергии Е газа. В качестве иллюстрации профиль I(t) потребления газа может быть построен, к примеру, в единицах энергии, потребляемой за день (кВт·час/день), от температуры Т, выраженной в градусах Цельсия. Характеристика потребления газа может быть аппроксимирована, например, функцией I(Т)=(А+е^B*T+C)^-1+D, где А, В, С и D - параметры, зависящие от потребителя. Возможны и другие функции или приближенные формулы I(T) для аппроксимации или прогнозирования поведения характеристики поставки газа, такие как табличное хранение значений I_i для опорных точек через дискретные значения T_i температуры, где i - целочисленный индекс. Профиль I_i, I_i′, L_i потребления может быть определен глобально для секции газораспределительной сети 11, включающей пункт 14 поставки газа, или локально для пункта 14 поставки газа. Функциональная корреляция I(Т) или значения I_i(T_i) в опорных точках могут быть получены из эмпирических значений, измеренных значений, прогнозируемых значений или значений, вычисленных на их основе и относящихся к потреблению газа в пункте 14 поставки газа. Температурная переменная Т может описывать внешнюю температуру или среднее значение температуры в пункте 14 поставки газа. Альтернативно профиль I_i, I_i′, L_i нагрузки может быть определен относительно переменной времени, в частности в зависимости от времени суток, дня недели, месяца или года.

Коэффициент f_i, f_i′, f_i′′, f_i′′′ ошибки датчика и, в частности, теплотворность или профиль Hi, Hi′ теплотворности могут быть определены по составу 3а, 3b газа, например, посредством калибровочных таблиц. Предпочтительно, чтобы состав 3а, 3b газа и профиль I_i, I_i′, L_i потребления были известны в виде функций от общих переменных t, Т. Коэффициент f_i, f_i′, f_i′′, f_i′′′ ошибки датчика и, при необходимости, профиль H_i, H_i′ теплотворности сами также могут быть даны непосредственно как функции общих переменных t, Т и, таким образом, могут быть связаны с профилем I_i, I_i′, L_i потребления.

Ниже описываются варианты выполнения вычислений при использовании газового счетчика 1 в качестве усовершенствованного измерителя объема, массы или энергии. Вычисление осуществляют, например, для опорных значений или средних значений за временной интервал, обозначенный индексом i; а вместо сложения значений в опорных точках можно также брать интегралы от значений функций по общей переменной, например по времени. Таким образом:

где выходное значение V_n - поставленный стандартный объем (стандартный объем, суммированный в течение конкретного времени = интеграл от коэффициента стандартного объемного расхода для текущего состава 3а газа), а измеряемый сигнал V_s - рабочий объем, суммированный за данный временной промежуток, К - поправочный коэффициент F, I_i=V_ni/V_n - профиль нагрузки по количеству газа относительно нормированного объема (нормирование означает, например: Σ_i V_ni=V_n, то есть Σ_i I_i=1), f_i=V_si/V_ni - коэффициент ошибки датчика для ошибок измерения рабочего объема, V_si - сигнал рабочего объема (выдаваемый газовым счетчиком 1 и зависящий от давления и температуры) и V_ni - стандартный объем (фактически поставленный) за временной интервал i. То есть фактически

Если газовым счетчиком 1 в качестве измеряемого сигнала обнаруживается сигнал стандартного объема V_ns (равный суммированному стандартному объему, фактически измеренному за конкретное время газовым счетчиком 1 = интегралу от измеренного расхода для текущего состава 3а газа) и суммируется за расчетный период, то

где К′ = поправочный коэффициент F, f_i′=V_nsi/V_ni = коэффициент ошибки датчика для ошибок измерения стандартного объема, V_nsi = сигнал стандартного объема и V_ni = стандартный объем за временной интервал i. To есть фактически

Если газовым счетчиком 1 в качестве измеряемого сигнала обнаруживается и суммируется за расчетный период сигнал M_s массы газа, а корректированная масса М газа вычисляется в качестве выходного значения, то

где К′′ = поправочный коэффициент F, I_i′=М_i/М = профиль нагрузки по количеству газа относительно массы газа, f_i′′=M_si/M_i = коэффициент ошибки датчика для ошибок измерения массы газа, M_si = сигнал массы газа и M_i = масса газа за временной интервал i. То есть фактически

При использовании газового счетчика 1 в качестве устройства 1 для измерения энергии также возможно использование нескольких формул, некоторые из которых ниже приведены в качестве примера. Если сигнал V_s рабочего объема обнаруживается газовым счетчиком в качестве измеряемого сигнала и суммируется за расчетный период, а в качестве выходного значения вычисляется корректированная поставляемая энергия Е, то:

где H_gew.s - взвешенная удельная теплотворность на стандартный объем = поправочный коэффициент F, Н_i - профиль теплотворности на стандартный объем, I_i=V_ni/V_n - профиль нагрузки по количеству газа на стандартный объем V_n или L_i=Е_i/Е - профиль нагрузки по энергии газа относительно энергии газа Е, f_i=V_si/V_ni - коэффициент ошибки датчика для ошибок измерения рабочего объема, V_si - сигнал рабочего объема, V_ni - стандартный объем и Е_i - энергия газа за временной интервал i. С учетом (Е4), с одной стороны:

а с другой стороны:

Если газовым счетчиком 1 в качестве измеряемого сигнала обнаруживается и суммируется за расчетный период сигнал V_ns стандартного объема, то:

где H_gew,ns - взвешенная удельная теплотворность на стандартный объем = поправочный коэффициент F, Н_i - профиль теплотворности на стандартный объем, I_i=V_ni/V_n - профиль нагрузки по количеству газа на стандартный объем V_n или L_i=Е_i/Е - профиль нагрузки по энергии газа относительно энергии газа Е, f_i′=V_nsi/V_ni - коэффициент ошибки датчика для ошибок измерения рабочего объема, V_nsi - сигнал рабочего объема, V_ni - стандартный объем за временной интервал i. С учетом (Е40), с одной стороны:

С другой стороны,

Если газовым счетчиком 1 в качестве измеряемого сигнала обнаруживается и суммируется за расчетный период сигнал M_s массы газа, то

где H_gew,M - взвешенная удельная теплотворность на стандартный объем = поправочный коэффициент F, Н_i′ - профиль теплотворности на массу, I_i′=М_i/М - профиль нагрузки по количеству газа на массу М газа, f_i′′=M_si/M_i - коэффициент ошибки датчика для ошибок измерения массы, M_si - сигнал массы газа, M_i - масса газа за временной интервал i. С учетом (Е41), с одной стороны:

С другой стороны,

Если газовым счетчиком 1 в качестве измеряемого сигнала обнаруживается и суммируется за расчетный период сигнал E_s энергии газа, то

где h_gew - взвешенный поправочный коэффициент для теплотворности = поправочный коэффициент F, H_i=E_i/V_ni - профиль теплотворности на стандартный объем, I_i=V_ni/V_n - профиль нагрузки по количеству газа или L_i=Е_i/Е - профиль нагрузки по энергии, f_i′′′=Е_i/Е - коэффициент ошибки датчика для ошибок измерения энергии, E_si - сигнал энергии газа, Е_i - энергия газа за временной интервал i. При этом фактически, с одной стороны:

С другой стороны,

Для выставления счета за энергию величину энергии Е газа следует умножить на стоимость единицы энергии. При необходимости эта цена также может зависеть от времени, что также может быть учтено при взвешивании теплотворности, в частности в поправочном коэффициенте h_gew для теплотворности.

В вышеупомянутых примерах коэффициент f_i, f_i′, f_i′′, f_i′′′ ошибки датчика выбран безразмерным. Можно получить другие варианты определения поправочных коэффициентов F, если взять другие комбинации измеряемого сигнала и выходных значений, и, соответственно, определить коэффициент ошибки датчика вспомогательных значений, профиль потребления и, при необходимости, профиль теплотворности, чтобы скомбинировать вместе измеряемый сигнал и выходное значение или их усредненные по времени значения. Например, можно ввести имеющие размерность коэффициенты ошибки датчика, например, так: f_i ^v=V_si/M_i, чтобы совместно с заданным безразмерным коэффициентом ошибки датчика преобразовать профиль нагрузки, профиль теплотворности и/или измеряемый сигнал, не к одному выходному значению, например стандартному объему, а к другому выходному значению, например к массе газа. Кроме того, можно преобразовать сигнал энергии E_s в стандартный объем или массу М газа. Такие и аналогичные им варианты выполнения настоящего изобретения могут быть описаны аналогично тому, как это было сделано выше.

Датчик 1а расхода предпочтительно представляет собой тепловой датчик 1а расхода, с помощью которого определяется сигнал S_kal датчика, калиброванный для определения расхода. Для калибровки газового счетчика 1 в качестве устройства 1 для измерения энергии калиброванный сигнал S_kal датчика преобразуют с использованием базового коэффициента теплотворности Н_сн для базовой газовой смеси СН в сигнал E_s энергии.

Согласно WO 01/96819 А1, в проходном тепловом датчике 1а, в частности в проходном датчике 1а в виде КМОП-анемометра, осуществляется встроенное автоматическое отслеживание теплотворности в случае отклонения текущего состава газовой смеси 3b от базовой газовой смеси СН. Поскольку встроенный контроль теплотворности является недостаточным, теперь, начиная с первой калибровки энергии для базовой газовой смеси СН, осуществляют вторую, улучшенную калибровку энергии согласно настоящему изобретению с помощью взвешенного поправочного коэффициента теплотворности F=h_gew.

Ниже будет более подробно описан предложенный способ работы такого устройства 1 для измерения энергии газа с тепловым датчиком 1а расхода. Согласно WO 01/96819 А1 сигнал S_N2 датчика (ранее S) для калибровочного газа, обычно азота N₂ или воздуха, определяют и калибруют по (некорректированному) сигналу S_m массового расхода (ранее S(d(V_N2,n)/dt), d(V_N2,n)/dt - стандартный объемный расход для калибровочного газа). Калибровка может быть выражена калибровочной кривой F(S_N2) датчика для калибровочного газа в нормальных условиях, величина S_m пропорциональна F(S_N2), или просто S_m=F(S_N2). Сигнал S_m массового расхода зависит от типа газа. Следовательно, отклонения сигнала S_m массового расхода от точного идеального значения для базовой газовой смеси, обычно природного газа или, в общем случае, углеводородной смеси СН, корректируются с помощью коэффициента коррекции сигнала или поправочного коэффициента f_N2-CH сигнала датчика. Следовательно, S_M=S_m•f_N2-CH, где S_M - корректированный сигнал массового расхода. В рамках данного описания S_M равно или пропорционально вышеуказанному калиброванному сигналу S_kal датчика 1а расхода. Аналогично стандартные объемы V_ns.i и V_ns газа в случае газа с достаточно постоянным качеством равны или пропорциональны калиброванному сигналу S_kal датчика или средним значениям S_kal в соответствующем временном интервале i. Поэтому калиброванный сигнал S_kal датчика является мерой расхода измеряемого состава 3b газа и, в частности, пропорционален ему. Поэтому можно записать S_kal=S_M•f_N2-CH, при этом возможно необходимый коэффициент пропорциональности учитывается в калибровочной кривой F(S_N2) датчика. Наконец, определяют сигнал E_S энергии умножением калиброванного сигнала S_kal датчика на теплотворность Н_СН (теплотворная способность на единицу проходящего потока, то есть стандартного объема или массы) базовой газовой смеси:

где S_kal - усредненный калиброванный сигнал датчика.

Согласно WO 01/96819 А1 или ЕР 1227305, полностью включенным в настоящее описание путем ссылки, для указанных значений S_N2, F(S_N2), f_N2-CH и Н_СН и получаемых с их помощью значений можно использовать также подходящие значения, усредненные по времени.

На фиг.4 показано, как изменение теплотворности до некоторых пределов обнаруживают внутренним образом по сигналам S_kal датчика расхода 1а. Эта характеристика как таковая известна из WO 01/96819 А1 и может храниться в количественной форме в газовом счетчике 1, например в виде коэффициента f_i′′′=E_si/E_i ошибки датчика. Поэтому коэффициент f_i′′′ ошибки датчика выбирают пропорциональным расхождениям между внутренне обнаруженными и фактическими изменениями теплотворности газового состава 3b в пункте 14 поставки газа или как среднее значение таких расхождений. Эти расхождения, то есть собственная зависимость теплотворности для сигналов E_s энергии относительно базовой газовой смеси СН, корректируют таким образом, что в поправочном коэффициенте F согласно изобретению учитывают коэффициент f′′′ ошибки датчика, а сигналы E_s энергии калибруют с помощью поправочного коэффициента F после этого и/или в автономном режиме для получения улучшенных, корректированных или фактических выходных значений Е энергии газа.

Кроме того, согласно настоящему изобретению предлагается газовый счетчик 1, предназначенный для реализации вышеописанного способа. Согласно фиг.1 и 2 газовый счетчик 1 расположен в пункте 14 поставки газа газораспределительной сети 11 и содержит датчик 1а расхода и измерительно-вычислительный блок 7, предназначенный для определения измеряемого сигнала V_s, V_ns, M_s, E_s, соответствующего потребляемому количеству и/или потребляемой энергии газа 3а, причем измерительно-вычислительный блок 7 содержит вычислительные средства 7а для определения и/или хранения коэффициента f_i, f_i′, f_i′′, f_i′′′ ошибки датчика газового счетчика и характеристики I_i, I_i′, L_i профиля потребления для пункта 14 поставки газа, а также для вычисления поправочного коэффициента F путем взвешенного усреднения коэффициентов f_i, f_i′, f_i′′, f_i′′′ ошибки датчика с весом, определяемым профилем I_i, I_i′, L_i потребления, кроме того, вычислительные средства 7b служат для преобразования измеряемого сигнала V_s, V_ns, M_s, E_s с помощью поправочного коэффициента F в выходное значение V_n, M, Е газового счетчика 1. Предпочтительно измерительно-вычислительный блок 7 включает запоминающее устройство 7d для хранения коэффициента f_i, f_i′, f_i′′, f_i′′′ ошибки датчика и профиля I_i, I_i′, L_i потребления как функции общей переменной времени и/или температуры Т.

Предпочтительно датчик 1а расхода представляет собой тепловой датчик 1а, в частности КМОП-анемометр 1а, с нагревательной проволокой 6 и температурными датчиками 5а, 5b, расположенными выше и ниже по потоку. Измерительно-вычислительный блок 7 содержит специальные средства для калибровки поставки газа в единицах энергии (кВт·час).

Кроме того, измерительно-вычислительный блок 7 может включать вычислительные средства 7с для определения калиброванного сигнала S_kal датчика посредством повторной оценки калибровочного газа относительно базовой газовой смеси СН и для определения сигнала E_s энергии газа посредством умножения калиброванного сигнала S_kal датчика на базовый коэффициент Н_СН теплотворности. В частности, имеются вычислительные средства 7а для определения и/или хранения коэффициента f_i′′′ ошибки датчика для измерения энергии газа с целью обнаружения и коррекции собственной зависимости калиброванного сигнала S_kal проходного датчика 1а от изменений теплотворности. Вычислительный блок 7а, 7b, 7с и/или запоминающее устройство 7d могут также быть расположены вне газового счетчика 1.

СПИСОК ОБОЗНАЧЕНИЙ:

1 Газовый счетчик

1а Тепловой датчик массового расхода, КМОП-датчик

1b Мембрана

2 Канал протекания газа, труба

3а Состав газа в газораспределительной сети; природный газ

3b Состав газа в пункте поставки газа; природный газ

4 Профиль потока

5а, 5b Первый и второй температурные датчики, термоэлементы

6 Нагревательный элемент, нагревательная проволока

7 Измерительно-вычислительный блок

7а, 7b, 7с Вычислительные средства

7d Запоминающее устройство

8 Вывод сигналов, дисплей

9 Приемный блок, передающий блок (необязательный)

10 Внешний блок, оператор, центральная станция

11 Газораспределительная сеть

12 Поставка газа

13 Потребитель

14 Пункт поставки газа

15 Измерение расхода, измерительная точка оператора

СН Природный газ, базовая газовая смесь

F(S_N2) Калибровочная кривая датчика

f_N2-CH Коэффициент преобразования сигнала

f_i, f_i′, f_i′′, f_i′′′ Коэффициент ошибки датчика

F Поправочный коэффициент

Н_сн Базовый коэффициент теплотворности для базовой газовой смеси

H_i, H_i′ Теплотворность, профиль теплотворности для газовой смеси

H_gew.s, H_gew.ns Взвешенная теплотворность на стандартный объем

H_gew.M Взвешенная теплотворность на массу газа

h_gew Поправочный коэффициент взвешенной теплотворности

К, К′, К′′ Поправочный коэффициент объема, поправочный коэффициент массы

I_i, I_i′, L_i′′ Профиль потребления газа, профиль нагрузки

S Сигнал датчика

S_m Некорректированный сигнал массового расхода или сигнал датчика

S_M Корректированный сигнал массового расхода для базовой газовой смеси

S_N2 Калибровочный сигнал датчика газа

S_kal Калиброванный сигнал датчика

t Переменная времени

Т, T₁, Т₂ Температуры

v Скорость потока

V_s, V_ns, M_s, E_s Измеряемые сигналы

V_n, М, Е Выходное значение

i Индекс для интервала времени

s Индекс для измеряемого сигнала

Количество (рабочий, стандартный объемы, массу) и энергию потребляемого газа в пункте поставки газораспределительной сети измеряют с помощью газового счетчика, содержащего тепловой датчик расхода и измерительно-вычислительный блок. Определяют взвешенный по потреблению поправочный коэффициент (F) путем взвешенного усреднения коэффициента ошибки датчика газового счетчика с весом, определяемым профилем потребления, который является характеристикой пункта поставки газа. Измеряемый сигнал датчика расхода преобразуют с помощью поправочного коэффициента (F) в откорректированное значение потребления. Изобретение повышает точность измерений, особенно при измерении энергии, за счет компенсации собственных флуктуаций сигнала энергии при изменениях теплотворности и обеспечивает ретроактивную коррекцию измеряемого сигнала в отношении конкретного потребителя. 2 н. и 17 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ измерения поставки газа, в частности, в частном, общественном или промышленном секторе, с помощью газового счетчика (1), который расположен в пункте (14) поставки газа газораспределительной сети (11), где измеряемый сигнал (V_s, V_ns, M_s, E_s), соответствующий потребляемому количеству и/или потребляемой энергии газа (3а), определяют газовым счетчиком (1) посредством датчика (1а) расхода, отличающийся тем, что

а) известен коэффициент (f_i, f_i′, f_i′′, f_i′′′) ошибки датчика газового счетчика (1) для определения расхождений между потреблением, зафиксированным газовым счетчиком (1), и фактическим потреблением,

б) известен профиль (I_i, I_i′, L_i) потребления газа, являющийся характеристикой пункта (14) поставки газа,

в) коэффициент (f_i, f_i′, f_i′′, f_i′′′) ошибки датчика и профиль (I_i, I_i′, L_i) потребления за расчетный период могут быть заданы как функции общей переменной (t или Т) и

г) взвешенный по потреблению поправочный коэффициент (F) за расчетный период определяют путем усреднения коэффициента (f_i, f_i′, f_i′′, f_i′′′)ошибки датчика с весом, определяемым профилем (I_i, I_i′, L_i) потребления, и с помощью поправочного коэффициента (F) преобразуют измеряемый сигнал (V_s, V_ns, M_s, E_s) в выходное значение (V_n, М, Е).

а) измеряемый сигнал (V_s, V_ns, M_s, E_s) представляет собой сигнал (V_s) рабочего объема, сигнал (V_ns) стандартного объема, сигнал (M_s) массы газа или сигнал (E_s) энергии, измеряемый газовым счетчиком и/или

б) выходное значение (V_n, М, Е) представляет стандартный объем (V_n), массу (М) поставляемого газа или энергию (Е) поставляемого газа, и/или

в) выходное значение (V_n, М, Е) вычисляют путем умножения измеряемого сигнала (V_s, V_ns, M_s, E_s) на поправочный коэффициент F.

а) усреднение включает суммирование и/или интегрирование по общей переменной (t, Т) произведений, которые содержат коэффициент ошибки датчика (f_i, f_i′, f_i′′, f_i′′′) и профиль (I_i, I_i′, L_i) потребления, и/или

б) усреднение осуществляют с учетом профиля (H_i, H_i') теплотворности по отношению к общей переменной (t, Т), и/или

в) усреднение включает соответствующую нормирующую функцию.

а) при работе без регистрации измеряемый сигнал (V_s, V_ns, M_s, E_s) суммируют с помощью газового счетчика (1) в течение продолжительного расчетного периода, а затем преобразуют с помощью поправочного коэффициента (F) вне газового счетчика (1) или в газовом счетчике (1), или

б) при работе с регистрацией текущий измеряемый сигнал (V_s, V_ns, M_s, E_s) регистрируют с помощью газового счетчика (1), в частности путем суммирования за короткие периоды, и преобразуют с помощью определяемого для текущего момента поправочного коэффициента (F) в газовом счетчике (1) или вне газового счетчика (1).

а) коэффициент (f_i, f_i′, f_i′′, f_i′′′) ошибки датчика и, в частности, теплотворность или профиль (Н_i, Н_i') теплотворности определяют по составу (3а, 3b) газа, в частности, посредством калибровочных таблиц и

б) состав (3а, 3b) газа известен, в частности, как функция общей переменной (t, Т).

а) профиль (I_i, I_i′, L_i) потребления представляет собой профиль (I_i) нагрузки по количеству газа относительно стандартного объема (V_n), профиль (I_i') нагрузки по массе газа относительно массы (М) газа или профиль (Li) нагрузки по энергии газа относительно энергии (Е) газа, и/или

б) профиль (I_i, I_i′, L_i) потребления задается аппроксимирующей формулой (I(t) (I(T); I′(t), I′(T); L(t), L(T)) или опорными значениями (I(t_i), (I′(T_i; I′(t_i), I′(T_i); L(t_i), L(Т_i)).

а) профиль (I_i, I_i′, L_i) потребления определен глобально для части газораспределительной сети (11), включающей пункт (14) поставки газа, или локально для пункта (14) поставки газа и/или

б) профиль (I_i, I_i′, L_i) потребления получают по эмпирическим значениям, измеренным значениям или прогнозируемым значениям.

или значениям потребления газа, полученным на их основе в пункте (14) поставки газа.

а) выходное значение представляет собой V_n=V_s·К, где V_n - стандартный объем поставляемого газа, a V_s - сигнал рабочего объема, суммированный за расчетный период, К=1/Σ_i(I_i·f_i) - поправочный коэффициент F, I_i=V_ni/V_n - профиль нагрузки по количеству газа относительно стандартного объема, f_i=V_si/V_ni - коэффициент ошибки датчика для ошибок измерения рабочего объема, V_si - сигнал рабочего объема и V_ni = стандартный объем во временном интервале i, или

б) выходное значение представляет собой V_n=V_ns·К′, где V_n - стандартный объем поставляемого газа, a V_ns - сигнал стандартного объема, суммированный за расчетный период, К′=1/Σ_i(I_i·f_i′) - поправочный коэффициент F, I_i=V_ni/V_n - профиль нагрузки по количеству газа относительно стандартного объема, f_i′=V_nsi/V_ni - коэффициент ошибки датчика для ошибок измерения стандартного объема, V_nsi - сигнал стандартного объема и V_ni - стандартный объем во временном интервале i, или

в) выходное значение представляет собой М=M_s·К′′, где М - масса поставляемого газа, M_s - сигнал массы газа, суммированный за расчетный период, К′′=1/Σ_i (I_i′·f_i′′) - поправочный коэффициент F, I_i′=M_i/M - профиль нагрузки по массе газа относительно массы газа, f_i′′=M_si/M_i - коэффициент ошибки датчика для ошибок измерения массы газа, M_si - сигнал массы газа и M_i - масса газа во временном интервале i.

а) выходное значение представляет собой Е=V_s·H_gew.s или Е=V_ns·H_gew.ns, где Е_i - энергия поставляемого газа, V_s - суммированный сигнал рабочего объема и V_ns - суммированный сигнал стандартного объема за расчетный период, при этом поправочный коэффициент F равен взвешенной удельной теплотворности на стандартный объем H_gew.s=Σ_i(H_i·I_i)/Σ_i(I_i·f_i), H_gew.s=1/Σ_i(L_i·f_i/H_i), H_gew.ns=Σ_i(H_i·I_i)/Σ_i(I_i·f_i′) или H_gew.ns=1/Σ_i (L_i·f_i′/H_i), где H_i - профиль теплотворности на стандартный объем, I_i=V_ni/V_n - профиль нагрузки по количеству газа относительно стандартного объема V_n или L_i=Е_i/Е - профиль нагрузки по энергии газа относительно энергии Е газа, f_i=V_si/V_ni - коэффициент ошибки датчика для ошибок измерения рабочего объема или f_i′=V_nsi/V_ni - коэффициент ошибки датчика для ошибок измерения стандартного объема, V_si - сигнал рабочего объема, V_nsi - сигнал стандартного объема, V_ni - стандартный объем и Е_i - энергия газа во временном интервале i, или

б) выходное значение представляет собой Е=M_s·H_gew.M, где Е - энергия поставляемого газа и M_s - сигнал массы газа, суммированный за расчетный период, причем поправочный коэффициент F равен взвешенной удельной теплотворности на массу H_gew.M=Σ_i(H_i′·I_i′)/Σ_i(I_i′·f_i′′) или H_gew.M=1/Σ_i(L_i·f_i′′/H_i′), где Н_i' - профиль теплотворности на массу, I_i′=М_i/М - профиль нагрузки по массе относительно массы М газа, f_i′′=M_si/M_i - коэффициент ошибки датчика для ошибок измерения массы газа, M_si - сигнал массы газа и М_i - масса газа во временном интервале i.

а) датчик (1а) расхода представляет собой тепловой датчик (1а), с помощью которого определяют сигнал (S_kal) датчика, калиброванный для измерения расхода проходящего потока, и

б) для калибровки газового счетчика (1) как устройства для измерения энергии калиброванный сигнал (S_kal) датчика преобразуют в сигнал (E_s) энергии газа с использованием базового коэффициента теплотворности (Н_c) для базовой газовой смеси (СН).

а) калибровочные сигналы (S_N2) датчика расхода для расхода калибровочного газа определяют и хранят в виде калибровочной кривой (F(S_N2)) датчика в газовом счетчике (1), и

б) путем умножения калибровочной кривой (F(S_N2)) датчика на коэффициент (f_N2-CH) преобразования сигнала получают калиброванный сигнал датчика (S_kal) и из него путем умножения на базовый коэффициент (H_CH) теплотворности определяют сигнал Е_s энергии газа.

а) по калиброванным сигналам (S_kal) датчика (1а) расхода обнаруживают отклонения теплотворности газа, и

б) обнаруживают расхождения между внутренне обнаруженными и фактическими изменениями теплотворности состава (3а) газа в пункте (14) поставки газа с помощью коэффициента f_i''' ошибки датчика для ошибок измерения энергии газа и корректируют их при преобразовании сигнала E_s энергии газа в энергию Е газа.

а) имеются вычислительные средства (7а) для определения и/или хранения коэффициента (f_i, f_i′, f_i′′ и f_i′′′) ошибки датчика газового счетчика (1) и профиля (I_i, I_i′, L_i) потребления, являющегося характеристикой пункта (14) поставки газа, а также для вычисления поправочного коэффициента F путем взвешенного усреднения коэффициента (f_i, f_i′, f_i′′ и f_i′′′) ошибки датчика с весом, определяемым профилем (I_i, I_i′, L_i) потребления, и

б) имеются вычислительные средства (7b) для преобразования измеряемого сигнала (V_s, V_ns, M_s, E_s) в выходное значение (V_n, М, Е) газового счетчика (1) с помощью поправочного коэффициента F.

а) датчик (1а) расхода представляет собой тепловой датчик (1а) расхода, в частности КМОП-анемометр (1а), с нагревательной проволокой (6) и температурными датчиками (5а, 5b), расположенными выше и ниже по потоку, и/или

б) измерительно-вычислительный блок (7) содержит средства калибровки поставки газа в единицах энергии (кВт·ч).

а) измерительно-вычислительный блок (7) содержит вычислительные средства (7с) для определения калиброванного сигнала (S_kal) датчика посредством повторной оценки калибровочного газа относительно базовой газовой смеси (СН) и для определения сигнала E_s энергии газа посредством умножения калиброванного сигнала (S_kal) датчика на базовый коэффициент (Н_CH) теплотворности и

б) в частности, имеются вычислительные средства (7а) для определения и/или хранения коэффициента f_i''' ошибки датчика для измерения энергии газа, с целью обнаружения и исправления собственной зависимости калиброванного сигнала (S_kal) датчика (1а) расхода от изменений теплотворности.