СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА СРЕДЫ Российский патент 2014 года по МПК G01F1/66 

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в системах измерения газообразных и текучих сред, а также в коммерческих расчетах.

Известен способ измерения расхода среды, при котором среду подают из магистрали через насос, расходомер и рабочую нагрузку (Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества. Справочник//Л., Машиностроение, 1989, 702 с.). Недостатком известных способов является расположение измерительного устройства в последовательном ряду устройств потребления расхода, что не обеспечивает достаточную точность измерения расхода.

Известен способ измерения струйным расходомером (RU 1295230 А1, 07.03.1987) с недостаточной зоной чувствительности, которая ограничивает зону работоспособности и диапазон измерения. Недостатком известного способа является неизбежность существования противоречивых требований и невозможность их преодоления при реализации только одной физикой течения среды. Эти требования сведены к двум параметрам: минимальный измеряемый расход и максимальный допустимый перепад давления на расходомере в максимальной точке диапазона.

Известен способ измерения расхода текучей среды (RU 2157967 С2, 21.05.1998), принятый за прототип. Часть потока среды после магистрального расходомера возвращают через вспомогательный расходомер и ограничительный дроссель в магистраль перед насосом, и расход на рабочую нагрузку определяют как разность расходов через магистральный и вспомогательный расходомеры. Этот прием позволяет сместить зону измерения магистрального расходомера в необходимый диапазон с понижением нижней границы измерения.

Недостатками известного способа является требование о наличии в составе измерительного комплекса напорного устройства (насоса), установленного в магистраль, т.к. без него комплекс не работоспособен.

Кроме того, насос должен соответствовать магистральному расходу, что связано с выполнением других проектных требований: увеличенные габариты, вес, ресурс, цена и др.

Кроме того, при таком способе существует функциональная связь магистрального расходомера и его нагрузки, которая обязывает согласовывать их параметры между собой. Иначе работа комплекса невозможна, если нагрузка поглощает магистральный расход. Кроме того, второй измерительный прибор (вспомогательный расходомер) должен иметь погрешность измерения, заведомо меньшую, что обременяет комплекс дополнительной технологией измерения другого диапазона с вынужденной тарировкой, ценой, габаритами, весом и др.

Кроме того, магистральный и вспомогательный расходомеры беспрерывно работают в полном диапазоне измерения, что сокращает ресурс измерительной части комплекса, расположенной в линии возвращения части потока, которая предназначена только для расширения в нижней части диапазона, и при измерении в принятом диапазоне не должна функционировать.

Кроме того, диапазон измерения смещается при наличия линии обратного потока, которая понижает порог чувствительности и вместе с ним снижает верхнюю граница измерения, что значительно сужает диапазон измерения и предлагает выбирать магистральный расходомер с запасом по верхней границе.

Кроме того, потоки магистрального трубопровода и обратного - взаимозависимы. Не существует такого состояния, когда один поток постоянный по величине и при этом другой поток изменяется и может быть независимым.

Кроме того, при анализе известного комплекса как измерительного устройства показано, что звенья измерительной цепи (два расходомера) соединены по схеме встречно-параллельного соединения с положительной обратной связью, т.е. при увеличении расхода в магистральном трубопроводе одновременно увеличивается возвращающий расход через вспомогательный расходомер. Такое соединение в комплексе значительно увеличивает погрешность измерения не только в зоне понижения диапазона до порога чувствительности, так и после, т.к. в этом случае погрешности звеньев суммируются (Браславский Д.А. Приборы и датчики летательных аппаратов. М., Машиностроение, 1970, с. 108).

Кроме того, в известном комплексе измерения характеристика звена, расположенного в обратной связи, не инверсная, что не позволяет рассматривать систему как встречно-параллельное соединение с отрицательной обратной связью, которое уменьшает общую погрешность измерения всего комплекса измерения.

Техническим результатом является расширение диапазона измерения расхода, его разделения на две части с понижением уровня измерения в первой части диапазона, не снижая верхнего значения второй части диапазона, уменьшение погрешности схемы измерения первой части диапазона, рассматривая изменения величин потоков среды как информационные сигналы между звеньями измерительной системы, как встречно-параллельное соединение с отрицательной обратной связью, возможность получения различной функциональной связи между величинами основного и обратного потоков среды.

Технический результат достигается тем, что в предложенном способе измерения расхода среды основной поток суммируют с обратным потоком, проводят суммарный поток через основной расходомер, измеряют его, далее разделяют его на два потока, один из которых считают равным входящему и направляют в нагрузку, другой - считают обратным, измеряют своим расходомером и вычитают из суммарного потока, отличающийся тем, что разделяют весь диапазон измерения на две части - первая часть измерения с обратным потоком, вторая часть измерения без обратного потока, в первой части диапазона обратный поток принудительно направляют к основному потоку для суммирования, изменяют его величину инверсно к величине основного потока, во второй части диапазона расход основного потока измеряют основным расходомером без обратного потока.

Кроме того, по изобретению устанавливают связь, пропорциональной и инверсной между обратным потоком и основным.

Кроме того, по изобретению канал обратного потока используют как байпас при измерении во второй части диапазона.

Кроме того, по изобретению обратный поток имеет постоянную величину.

На чертеже представлена функциональная схема устройства с пониженным начальным уровнем измерения (порогом), реализующего предложенный способ измерения расхода среды.

Основной поток 1 среды проходит через сумматор 2 потоков, образуя суммарный поток 3, основной расходомер 4, разделитель 5 потоков на выход 6 к нагрузке. В сумматоре 2 к основному потоку 1 присоединяется обратный поток 7, который отделяется от суммарного потока 3 в разелителе 5 потока, образуя принудительную циркуляцию 7 расхода обратного потока через основной расходомер 4. Обратный поток 7, измеряемый своим расходомером 9, образуется под воздействием насоса (например, микронасоса) 8, управляемого через блок питания 10 устройством 11 сравнения сигналов. От основного расходомера 4 и расходомера 9 обратного потока сигналы сравниваются в устройстве 11 и происходит вычитание из суммарного потока 3 величины обратного потока 7 и фиксации сигнала фактического расхода основного потока 1 на индикаторе 12. При этом полагается, что после процедуры вычитания тот поток 6, который прошел через нагрузку, считается равным по величине основному потоку 1 с некоторой погрешностью ζ. При изменении величины основного потока 1 изменяется, например, пропорционально, с противоположным знаком (инверсно) величина обратного потока 7.

Весь диапазон измерения разделяют на две части: в первой - работает обратный поток 7, во второй - не работает обратный поток, в первой части диапазона обратный поток 7 принудительно направляют к основному потоку 1, изменяют величину обратного потока 7:

- увеличивают его при уменьшении основного потока 1 до согласованного (выбранного нижнего) значения первой части диапазона или

- уменьшают его величину до нуля по мере увеличения основного потока 1 до согласованного (выбранного верхнего) значения первой части диапазона.

В первой части диапазона вычитают из суммарного потока 3 обратный поток 7, фиксируя величину на индикаторе 12, во второй - остальной - части диапазона измерения при нулевой величине обратного потока 7 основной поток 1 измеряют основным расходомером 4, сигнал которого непосредственно проходит через устройство 11 на индикатор 12, фиксируя расход основного потока 1 во втором диапазоне.

В схеме на чертеже звеном 14 обратной связи служат - расходомер обратного потока 9 и насос 8, который имеет инверсную характеристику «расход-давление» по отношению к изменению расхода основного потока, звеном 13 прямой цепи является - основной расходомер 4, разделитель потока 5.

Звенья 13 и 14 включены по встречно-параллельной схеме для уменьшения относительной погрешности ζ измерения схемы, которая расчитывается по известной формуле (Браславский Д.А. Приборы и датчики летательных аппаратов. М., Машиностроение. 1970, с. 108)

ζ=ψ₁ζ₁+ψ₂·ζ₂

ψ₁=1/Σ1+S₁S₂) - коэффициент влияния звена 1 и ζ₁ - его относительная погрешность,

ψ₂=-S₁S₂/(1+S₁S₂) - коэффициент влияния звена 2 и ζ₂ - его относительная погрешность,

S₁ - крутизна характеристики «давление-расход» звена прямой цепи,

S₂ - крутизна характеристики «давление-расход» звена обратной связи.

Поскольку ψ₂ при такой схеме включения звеньев всегда со знаком минус, то общая относительная погрешность схемы измерения в первой части диапазона измерения снижена по сравнению с относительной погрешностью общей схемы.

Расширение диапазона измерения расхода достигается разделением его на две части с понижением уровня измерения в первой части диапазона. Величина обратного потока 7 звена обратной связи 14 позволяет повысить чувствительность основного расходомера 4 до согласованной нижней границы измерения, добавляя часть расхода, которой нехватает для начала уверенной работы расходомера 4. В известном способе обратный поток возвращается в магистраль (бак, емкость), в которой информационное поле по величине сигнала давления близко к нулю, т.к. насос, расположенный после точки суммирования потоков, определяет величину потенциала перед нагрузкой. В предложенном способе обратный поток возвращается в информационную линию с давлением по величине, отличной от нуля. В этом случае для реализации встречно-параллельной схемы с отрицательной обратной связью необходима инверсная характеристика «давление-расход» звена обратной связи. Т.е. при увеличении потенциала (давления) и расхода измеряемого потока в точке суммирования расход обратного потока уменьшается согласно характеристики «Р-Q» звена обратной связи.

Работа обратного потока 7 начинается с условного нуля, например Q₂=20 л/ч, рабочей точки интервала между точкой уверенной работы основного расходомера 4 (например, Q₁=40 л/ч) и пониженной согласованной границы измерения (например, Q=20 л/ч).

При недостаточном суммарном расходе по каналу 3, например, Q<20 л/ч и Q₁=Q+Q₂<40 л/ч, проходящему через основной расходомер 4, индикатор 12 не показывает процесса измерения. Т.е. расход Q<20 л/ч вообще не измеряется.

При достаточном Q₁=Q+Q₂≥40 л/ч суммарном расходе 3, проходящем через основной расходомер 4 и индикатор 12 показывает процесс измерения Q=Q₁-Q₂≥20 л/ч, то величина обратного потока 7 понижается на величину превышения над величиной 20 л/ч, поддерживая величину 40 л/ч, и так далее. Величина Q₂ обратного потока 7 уменьшается с увеличением основного потока 1 по команде устройства сравнения 11 блоком питания 10 насоса 8 обратного потока 7. При этом поддерживается величина расхода Q₁ по каналу 3 постоянной и равной, например, 40 л/ч. Такое поддержание расхода Q₁=const на выбранном уровне необходимо для согласованной работы насоса 8 обратного потока с инверсной характеристикой (уменьшение расхода) по увеличению перепада давления во входном трубопроводе 1 в точке суммирования 2.

В другом варианте исполнения связи между расходом O₁ и Q₂ можно допустить, что Q₁=var≤60 л/ч и Q₂=const=20 л/ч, при достижении Q₁=60 л/ч, звено обратной связи 14 выключается из работы. При такой работе предложенной схемы, напоминающей работу схемы прототипа, в которой насос работает постоянно, существует два недостатка.

Первый недостаток - насос 8 должен по своим техническим данным иметь возможность преодолевать уровень потенциала в канале 1 при наращивании расхода, например, до 60 л/ч, т.к. при увеличении расхода Q на входе 1 увеличивается перепад давления в точке суммирования.

Второй - самый важный недостаток - в такой схеме суммирования основного и обратного потоков вместо отрицательной обратной связи (ООС) возникает положительная обратная связь (ПОС), которая увеличивает погрешность измерения в диапазоне от сниженного порога (20 л/ч) до начала уверенной работы расходомера 4 (40 л/ч).

Принципиальное отличие схем понижения уровня порога чувствительности в предложенном способе и в прототипе в части определения погрешности измерения состоит в изменении существа обратной связи - ПОС заменяется на ООС.

Предложенный способ предоставляет возможность получения различной функциональной связи между величинами основного и обратного потоков среды, Например, для сокращения постоянной времени звеньев прямой цепи насос 8 включается с упреждением.

Когда в процессе увеличения основного потока 1 достигается точка уверенной работы расходомера 4, то к этому моменту величина обратного потока 7 близка к нулю, и дальнейшее увеличение величины основного потока 1 доводит его до полного исчезновения. Звено 14 выключается из работы измерения основного потока 1 и осуществляется плавный переход во вторую часть диапазона измерения. Весь расход основного потока 1 измеряется только основным расходомером 4. Диапазон измерения второй части остается прежним, который не уменьшается при включении в работу первой части диапазона. Общий диапазон измерения расширен и понижен нижний уровень измерения основного расходомера 4, который ранее, до включения обратного потока 7, был недоступен, не снижая верхнего значения второй части диапазона. Проходное сечение закрыто для циркуляции потока 7 при неработающем насосе и неработающий насос 8 через себя не пропускает поток 7.

При открытом проходном сечении неработающего насосе 8 его канал может использоваться как байпас с пересчетом коэффициента пропускания потока через всю схему, увеличивая общую пропускную способность схемы измерения и расширяя общий диапазон измерения. При этом часть основного потока проходит через проходное сечение насоса 8.

При малых сечениях байпаса при измерении во второй части диапазона этим потоком можно пренебречь.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в системах измерения газообразных и текучих сред, а также в коммерческих расчетах. Способ измерения расхода среды, при котором основной поток суммируют с обратным потоком, проводят суммарный поток через основной расходомер, измеряют его, далее разделяют его на два потока, один из которых считают равным входящему и направляют в нагрузку, другой - считают обратным, измеряют своим расходомером и вычитают из суммарного потока. При этом разделяют весь диапазон измерения на две части - первая часть измерения с обратным потоком, вторая часть измерения без обратного потока. В первой части диапазона обратный поток принудительно направляют к основному потоку для суммирования, изменяют его величину инверсно к величине основного потока. Во второй части диапазона расход основного потока измеряют основным расходомером без обратного потока. Кроме того, по изобретению устанавливают связь пропорциональной и инверсной между обратным потоком и основным. Технический результат - расширение диапазона измерения расхода. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ измерения расхода среды, при котором основной поток суммируют с обратным потоком, проводят суммарный поток через основной расходомер, измеряют его, далее разделяют его на два потока, один из которых считают равным входящему и направляют в нагрузку, другой - считают обратным, измеряют своим расходомером и вычитают из суммарного потока, отличающийся тем, что разделяют весь диапазон измерения на две части - первая часть измерения с обратным потоком, вторая часть измерения без обратного потока, в первой части диапазона обратный поток принудительно направляют к основному потоку для суммирования, изменяют его величину инверсно к величине основного потока, во второй части диапазона расход основного потока измеряют основным расходомером без обратного потока.

2. Способ измерения расхода среды по п.1, при котором устанавливают связь между обратным потоком и основным пропорциональной и инверсной.

3. Способ измерения расхода среды по п.1, при котором канал обратного потока используют как байпас при измерении во второй части диапазона.

4. Способ измерения расхода среды по п.1, при котором обратный поток имеет постоянную величину.