СПОСОБ РЕГУЛИРОВКИ ТЕРМИЧЕСКОГО ИЛИ КАЛОРИМЕТРИЧЕСКОГО РАСХОДОМЕРА Российский патент 2009 года по МПК G01F1/698 

Изобретение относится к способу регулировки термического или калориметрического расходомера, который определяет и/или контролирует расход протекающей через трубопровод или через измерительную трубу измеряемой среды, в процессе, посредством двух датчиков температуры, причем актуальная температура измеряемой среды в момент времени определяется посредством первого датчика температуры, и причем ко второму датчику температуры подводится определенная мощность нагрева, которая соразмерена таким образом, что появляется заданная разность температур между обоими датчиками температур.

Обычно для регулировки обогреваемого датчика температуры используется PID-регулятор. Для способа регулировки обычно принимаются параметры регулировки, которые сначала установлены при определенных физических условиях в процессе. Существенными величинами физических условий в процессе следует назвать норму расхода измеряемой среды через расходомер. Физические условия в процессе отображаются далее в коэффициенте теплопередачи, который характеризует теплопередачу от датчика температуры в измеряемую среду.

На фиг.1 и 2 в виде схемы изображена подрегулировка типичного традиционного термического расходомера в случае изменения заданной температуры. Изменение заданной температуры соответствует перепаду температур, который запускает процесс регулировки. Идеальным образом реакция расходомера соответствует сплошной линии. При этом ho это коэффициент теплопередачи при определенных условиях в процессе, то есть, к примеру, при заданной норме расхода измеряемой среды через трубопровод. Подрегулировка расходомера относительно быстро реагирует на перепад температур (фиг.1). Расходомер практически немедленно предоставляет измеренные значения, которые достоверно отображают норму расхода измеряемой среды через трубопровод (фиг.2). Однако, если измеряемая среда течет через трубопровод со скоростью, которая вызывает четырехкратное увеличение коэффициента теплопередачи, по сравнению с представленным ранее случаем, то перепад демонстрирует менее идеальную характеристику. Этот случай представлен на фиг.1 и 2 на примере пунктирных линий. Проходит достаточно много времени, прежде чем будет достигнута заданная температура системы «датчик температуры - измеряемая среда»; то же самое действительно также и для параллельно предоставленных в распоряжение измеренных значений расхода: через относительно долгий промежуток времени расходомер предоставляет слишком малые измеренные значения. В общем, можно говорить о том, что актуальная величина неуклонно приближается к соответствующей заданной величине.

Противоположный случай представлен на основании штриховых линий на обеих фигурах. Здесь коэффициент теплопередачи составляет лишь четверть (h_o/4) значения для случая, охарактеризованного величиной h_o, для которого регулировка оптимизирована. Реакция на перепад температур проявляется в сверхреакции системы. Так как к датчику температуры подается та же мощность нагрева, что и в случае учетверенной нормы расхода, при регулировке происходят отклонение от установленного значения. И здесь проходит относительно много времени до того, пока не установится желаемая постоянная заданная температура. Реакция регулирующего блока отображается также в изменяющихся измеренных значениях, которые расходомер выдает во время процесса регулировки. На основании изображений на фиг.1 и 2, таким образом, поясняется, что термический расходомер, который приведен в действие в процессе регулировки, не учитывающем преобладающие в процессе активные физические условия, имеет, среди прочего, относительно высокую точность измерений.

В основе изобретения лежит задача, предложить способ для быстрой и стабильной регулировки термического расходомера при различных условиях течения процесса.

Задача решается посредством того, что в случае отклонения измеренной в фактическом состоянии актуальной разности температур от заданной разности температур для заданного состоянии в следующий момент времени, определяется поданная к обогреваемому датчику температур мощность нагрева, причем мощность нагрева определяется с учетом физических условий процесса, которые отображаются в константе времени.

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления способа в соответствии с изобретением константа времени, которая отображает физические условия в процессе, устанавливается посредством следующего определения:

[сек]

причем

θ_target обозначает заданную разность температур между обогреваемым и не обогреваемым датчиками температуры [°C], а

Q_i обозначает подведенную к обогреваемому датчику в момент времени t_i мощность нагрева [Вт].

В альтернативном варианте константа времени, которая отображает физические условия в процессе, устанавливается посредством следующего определения:

[сек]

здесь

θ_i - актуальная разность температур между обогреваемым и не обогреваемым датчиками температуры [°С], а

Q_i - подведенная к обогреваемому датчику в момент времени t_i мощность нагрева [Вт].

Согласно предпочтительному варианту осуществления способа в соответствии с изобретением, в случае, когда измеренная в фактическом состоянии актуальная разность температур отклоняется от заданной разности температур для заданного состояния, скорость изменения для подвода мощности нагрева для компенсации отклонения определяется таким образом, чтобы система как можно быстрее достигла заданного состояния.

Предпочтительно скорость изменения для достижения заданного состояния рассчитывается посредством следующего определения:

Согласно предпочтительному варианту осуществления способа в соответствии с изобретением, в случае, когда измеренная в фактическом состоянии актуальная разность температур отклоняется от заданной разности температур для заданного состояния, скорость изменения для подвода мощности нагрева рассчитывается по следующей формуле:

Здесь

c₁ [Вт·сек/К] представляет собой зависимую от использованного регулятора константу пропорциональности, а

Δt [сек] - промежуток времени между двумя следующими друг за другом измерениями.

Изобретение более подробно разъясняется на основании последующих чертежей, которые показывают:

фиг.1 - графическое изображение реакции традиционного устройства регулировки на перепад температур при различных нормах расхода измеряемой среды в трубопроводе или в измерительной трубе,

фиг.2 - графическое изображение предоставленных термическим расходомером измеренных значений, на основании представленных на фиг.1 процессов регулировки,

фиг.3 - схематичное изображение термического расходомера для осуществления способа в соответствии с изобретением,

фиг.4 - графическое изображение различных скоростей изменения для достижения заданной разности температур,

фиг.5 - графическое изображение предоставленных термическим расходомером измеренных значений во время показанного на Фиг.4 процесса регулировки.

Фиг.1 и 2 уже рассматривались во вступлении к описанию.

Фиг.3 демонстрирует схематичное изображение термического расходомера 1, пригодного для осуществления способа в соответствии с изобретением. Расходомер 1 посредством винтовой резьбы 9 закреплен в патрубке 4, который находится на трубопроводе 2. В трубопроводе 2 находится текучая измеряемая среда 3. В качестве альтернативы возможно выполнять расходомер 1 с интегрированной измерительной трубой в качестве магистрального измерительного прибора.

Устройство 6 для измерения температуры находится в обращенной к измеряемой среде 3 зоне корпуса 5. Настройка обоих датчиков 11, 12 температуры и/или оценка предоставленных датчиками 11, 12 температуры измерительных сигналов производится посредством устройства 10 регулировки/оценки, которое в указанном случае расположено в преобразователе 7. Посредством соединения 8 производится коммуникация с удаленным, на фиг.3 отдельно не изображенным, контрольным пунктом.

По меньшей мере, под одним из обоих датчиков 11, 12 температуры может пониматься электрически обогреваемый элемент сопротивления, так называемый RTD-датчик. Само собой разумеется, что в связи с решением в соответствии с изобретением может также использоваться и обычный датчик температуры, к примеру, Pt100 или Pt1000, или термоэлемент, к которому присоединен термически соединенный нагревательный блок 13. Нагревательный блок 13 на фиг.3 расположен в корпусе 5 и термически подсоединен к обогреваемому датчику 11, 12 температур, но абсолютно разъединен с измеряемой средой 3. Соединение или разъединение происходит предпочтительно посредством заполнения соответствующих зазоров термически хорошо проводимым или термически плохо проводимым материалом. Предпочтительно для этого используется заливочный материал.

Посредством расходомера 1 возможно измерять расход непрерывно; в качестве альтернативы возможно использовать расходомер 1 в качестве переключателя расхода, который всегда показывает изменение состояния переключателя, когда, по меньшей мере, не достигается заданное предельное значение или это заданное предельное значение превышается.

В качестве альтернативы возможно также, чтобы оба датчика 11, 12 температуры были выполнены обогреваемыми, причем желаемая функция первого датчика 11 температуры или второго датчика 12 температуры определена посредством устройства 10 регулировки/оценки. К примеру, возможно, что устройство 10 регулировки/оценки управляет обоими датчиками 11, 12 температуры попеременно как активным или как пассивным датчиком 11, 12 температуры, и определяет измеренное значение расхода посредством осреднения предоставленных обоими датчиками 11, 12 температуры измеренных значений.

Обогреваемый датчик температуры можно описать с помощью упрощенной модели следующим образом:

При этом обозначено:

Q: подведенное к датчику температуры количество тепла [Вт],

θ: разность температур между датчиком температуры и измеряемой среды [К],

t: время [сек],

τ: константа времени датчика температуры.

Константа времени τ является мерой для инерционности системы «датчик температуры - измеряемая среда», учитывая изменения в процессе. Константу времени τ можно описать посредством следующей формулы:

При этом обозначено:

m: масса датчика температуры [кг],

с_р: удельная теплоемкость обогреваемого датчика температуры [Дж/(кг·К)],

А: поверхность датчика [м²],

h: внешний коэффициент теплопередачи [Вт/(м²·К)].

Хотя три указанные первыми величины являются постоянными величинами, их точные значения, однако, обычно неизвестны. Коэффициент теплопередачи h, исходя из этого, зависит от физических условий, преобладающих в процессе или в системе. Точный расчет константы времени τ, таким образом, не возможен.

В идеальном варианте расходомер 1 реагирует на каждое скачкообразное изменение физических условий одновременно посредством скачкообразного изменения, как уже было изложено в связи с описанием к фиг.1. Это означает, что подведенное к датчику 12 температуры количество тепла идеальным образом можно изобразить как скачкообразную функцию (фиг.5). В реальности такой реакции можно достичь исключительно приблизительно, так как устройство 10 регулировки/оценки не достаточно точно знает заранее окончательные условия стационарного состояния.

При идеальных условиях - немедленном скачкообразном ответе мощности нагрева - температура θ среагировала бы следующим образом - при этом исходят из того, что система в более ранний момент времени t<0 находится в стационарном состоянии. Здесь имеет место:

Q(t)=Q_o

где t<0

и

для t<0 (3)

Скачкообразное изменение в физических условиях можно представить следующим образом:

для t≥0 (4)

Скачкообразный ответ датчика 12 температуры на этот «тепловой скачок» тогда можно описать следующим образом:

В случае, если скачок в мощности нагрева нагревательного блока 13 корректно отображает физические условия, то температура асимптотически приближается к заданной температуре θ_target. Математически это можно передать посредством следующей формулы:

Введенное в формулу (5), выявляется тогда следующее уравнение:

Из этого явствует, что уравнение (3) может быть описано через повышение температуры, которое математически охвачено в уравнении (7). Следовательно, представленную в уравнении (7) характеристику температуры нужно расценивать как заданную характеристику температуры. Эта заданная характеристика температуры характеризуется начальной скоростью изменения. Скорость изменения связана со скоростью изменения для достижения заданной разности температур. Эта скорость изменения для достижения заданной разности температур обозначается далее как оптимальная скорость изменения.

Ранее сказанное представлено на фиг.4 для случая на основании способа в соответствии с изобретением (сплошная линия), когда измерена слишком маленькая скорость изменения (пунктирная линия) и для случая, когда скорость изменения слишком велика (штриховая линия).

На фиг.5 можно увидеть графические изображения предоставленных термическим расходомером 1 измеренных значений во время показанного на фиг.4 процесса регулировки. Если применяется способ в соответствии с изобретением, то расходомер 1 предоставляет в самое короткое время актуальное корректное измеренное значение (сплошная линия). Если же скорость изменения выбрана слишком маленькой (пунктирная линия) или слишком большой (штриховая линия), то проходит очень много времени, прежде чем система окажется в равновесии и расходомер 1 снова предоставит корректные измеренные значения. Так как поведение системы приближено к идеальному состоянию, можно посредством использования способа в соответствии с изобретением значительно улучшить точность измерений расходомера 1 во время переходных процессов.

Алгоритм регулировки в соответствии с изобретением, следовательно, основывается на том, что актуальная скорость изменения температур тесно связана с оптимальной, согласованной с соответствующими условиями процесса скоростью изменения для достижения заданной температуры.

Возможность реализации состоит, таким образом, в том, что для случая, когда измеренная в фактическом состоянии актуальная разность температур отклоняется от заданной разности температур для заданного состояния, скорость изменения для подвода мощности нагрева рассчитывается по следующей формуле:

При этом обозначено:

i: момент времени i,

i+1: следующий момент времени i+1,

Δt: промежуток времени между двумя следующими друг за другом шагами i и i+1,

c₁: постоянный параметр регулировки [W·s/K].

Здесь, таким образом, подведенная к датчику 12 температуры мощность нагрева связана с разностью актуальной скорости изменения и заданной скоростью изменения для номинального состояния.

Само собой разумеется, что рассчитываемая по уравнению (9) для момента времени i+1 мощность нагрева

Q_i+1

представляет только одну возможность достичь идеальной скорости изменения с целью приведения температуры в соответствие с заданным значением температуры. Разумеется, каждый выбираемый вариант осуществления сопоставлен с проблемой, что константа времени τ не является постоянной, а в большой степени зависит от нормы расхода измеряемой среды 3 через трубопровод 2. Это отображается в коэффициенте теплопередачи h из уравнения (2). Следовательно, константа времени τ не является точно определяемой величиной. Далее описывается возможность расчета относительно точного значения для константы времени τ.

Как сказано ранее, константу времени τ можно точно описать посредством уравнения (2). Когда достигнуто стационарное состояние, имеет силу следующее соотношение:

Во время переходного состояния это соотношение, разумеется, не действительно. Напротив, во время перехода имеет силу:

В результате подстановки уравнения (2) в уравнение (11) выявляется следующее соотношение:

При этом m и с_р - константы материала, которые не зависят от преобладающих в процессе физических условий. Разумеется, значения этих величин обычно известны не точно. Чтобы, тем не менее, добиться определения для значения константы времени τ - как уже описано ранее - используется, к примеру, следующее определение константы времени τ:

С помощью данного определения посредством использования способа в соответствии с изобретением можно значительно повысить точность измерений расходомера во время переходных процессов.

СПИСОК ОБОЗНАЧЕНИЙ

1. Устройство в соответствии с изобретением.

2. Трубопровод/измерительная труба.

3. Измеряемая среда.

4. Патрубок.

5. Корпус.

6. Устройство для измерения температуры.

7. Преобразователь.

8. Соединительный провод.

9. Резьба.

10. Устройство регулировки/оценки.

11. Первый датчик температуры.

12. Второй датчик температуры.

13. Нагревательный блок.

Способ регулировки термического или калориметрического расходомера (1), который определяет и/или контролирует расход протекающей через трубопровод (2) или через измерительную трубу (2) измеряемой среды (3), в процессе, посредством двух датчиков (11, 12) температуры, причем актуальная температура (T_i) измеряемой среды (3) в момент времени (t_i) определяется посредством первого датчика (12) температуры, причем ко второму датчику (11) температуры подводится определенная мощность нагрева, которая соразмерена таким образом, что возникает заданная разность (θ_target) температур между обоими датчиками (11, 12) температуры и причем в случае отклонения (θ_target-θ_i) измеренной в фактическом состоянии актуальной разности (θ_i) температур от заданной разности (θ_target) температур для заданного состояния в следующий момент времени (t_i+1) определяется подведенная к обогреваемому датчику температуры мощность нагрева (Q_i+1), причем мощность нагрева (Q_i+1) определяется с учетом физических условий в процессе, которые отображаются в константе времени (τ). Технический результат - быстрая и стабильная регулировка термического расходомера при различных условиях течения процесса. 5 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ регулировки термического или калориметрического расходомера, который определяет и/или контролирует расход протекающей через трубопровод (2) или через измерительную трубу измеряемой среды (3), в процессе, посредством двух датчиков (11, 12) температуры, а причем актуальная температура (Т_i) измеряемой среды (3) в момент времени (t_i) определяется посредством первого датчика (12) температуры, а ко второму датчику (11) температуры подводится определенная мощность нагрева (Q_i), которая соразмерена таким образом, что возникает заданная разность (θ_target) температур между обоими датчиками (11, 12) температуры и причем в случае отклонения (θ_target-θ_i) измеренной в фактическом состоянии актуальной разности (θ_i) температур от заданной разности (θ_target) температур для заданного состояния в следующий момент времени (t_i+1) определяется подведенная к обогреваемому датчику (11) температуры мощность нагрева (Q_i+1), причем мощность нагрева (Q_i+1) определяется с учетом физических условий в процессе, которые отображаются в константе времени (τ), причем зависящая от физических условий в процессе константа времени (τ) устанавливается посредством следующего определения:

где θ_target - заданная разность температур между обогреваемым и не обогреваемым датчиками [°С] температуры;
θ_i - подведенная к обогреваемому датчику в момент времени (t_i) мощность (Вт) нагрева.

2. Способ по п.1, характеризующийся тем, что зависящая от физических условий в процессе константа времени (τ) устанавливается посредством следующего определения:

где θ_i - актуальная разность температур между обогреваемым и не обогреваемым датчиками (°С) температуры;
Q_i - подведенная к обогреваемому датчику (11) температуры в момент времени t_i мощность (Вт) нагрева.

3. Способ по п.2, характеризующийся тем, что в случае, когда измеренная в фактическом состоянии актуальная разность температур (Q_i) отклоняется от заданной разности температур (θ_target) для заданного состояния, скорость изменения для подвода мощности нагрева (Q_i+1) для компенсации отклонения (θ_target-θ_i) определяется таким образом, что система «датчик (11) температуры - измеряемая среда (3)» максимально быстро достигает заданного состояния (θ_target).

4. Способ по п.3, характеризующийся тем, что скорость изменения для достижения номинального состояния (θ_target) рассчитывается посредством следующего определения:

5. Способ по п.4, характеризующийся тем, что в случае, когда измеренная в фактическом состоянии актуальная разность температур (Q_i) отклоняется от заданной разности температур (θ_target) для заданного состояния, скорость изменения для подвода мощности нагрева (Q_i+1) определяется в зависимости от разности между скоростью изменения актуальной разности температур и оптимальной скоростью изменения:

6. Способ по п.4 или 5, характеризующийся тем, что скорость изменения для подвода мощности нагрева рассчитывается в зависимости от разности между актуальной скоростью изменения разности температур и оптимальной скоростью изменения, по следующей формуле:

причем c₁ (Вт·с/К) является зависимой от устройства (10) регулировки константой пропорциональности, а
Δt (с) - промежуток времени между двумя следующими друг за другом измерениями.