СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА И КОЛИЧЕСТВА ЖИДКОСТЕЙ И ГАЗОВ С ПРИМЕНЕНИЕМ СУЖАЮЩИХ УСТРОЙСТВ Российский патент 2022 года по МПК G01F1/42 

Способ и устройство измерения расхода и количества жидкостей и газов с применением сужающих устройств относится к области измерения и учета расхода и количества жидких и газообразных сред, прошедших по трубопроводу при коммерческом и/или технологическом учете тепловой энергии, жидкого и газообразного топлива, природного газа, водяного пара, воды и других аналогичных сред, в узлах учета, построенных на основе сужающих устройств и преобразователей перепада давления.

Изобретение предназначено для обеспечения измерения и учета расхода и количества жидких и газообразных сред, отпуска и потребления тепловой энергии и теплоносителя, газа, пара, воды и других аналогичных сред и расширения диапазона измеряемых расходов в широком диапазоне плотностей измеряемы сред.

Известно «Сужающее устройство для измерения расхода газа» (патент РФ 2366899 С1 10.09.2009 Бюл. №25).

Данное сужающее устройство для измерения расхода газа включает цилиндрический корпус со щелью, в котором размещена измерительная диафрагма, ступенчатый фланец с цилиндрической проточкой, входящей в выполненную с одной стороны корпуса цилиндрическую расточку с образованием разъемного соединения с корпусом, щель в корпусе снаружи закрыта накладкой, а снизу - крышкой с уплотнением, размещенной внутри корпуса с возможностью перемещения по окружности, ограниченного жестко установленным внутри корпуса упором, торец фланца снабжен ложементом, выполненным в виде двух осесимметрично размещенных полуколец, центрирующих измерительную диафрагму, прижатую к фланцу шпильками, при этом крышка с уплотнением и накладка центрированы с помощью установленной в щели и имеющей форму полукольца проставки и стянуты шпильками с гайками.

Расчет данного сужающего устройства производится в соответствии с требованиями ГОСТ 8.586.1…5-2005 «Измерение расхода и количества жидкостей и газов методом переменного перепада давления», в частности под конкретную плотность измеряемой предполагаемой среды.

В реальной ситуации плотность измеряемой среды может изменяться по разным причинам, и это изменение плотности никак не отражается и не учитывается в результатах измерения, что вносит существенную неточность, погрешность в результаты измерения, что является существенным недостатком этого метода измерения и ограничивает его использование в широком диапазоне измеряемых сред.

Известно устройство «Расходомер Вентури с вакуумной изоляцией для системы рециркуляции отработавших газов» (патент РФ 2605489 С2 20.12.2016 Бюл. №35).

Расходомер Вентури для размещения в охлаждаемой системе рециркуляции отработавших газов (РОГ), которая включает трубопровод рециркуляции отработавших газов. Трубопровод рециркуляции отработавших газов подсоединен к выпускному трубопроводу двигателя внутреннего сгорания. Система рециркуляции отработавших газов включает охладитель системы РОГ, который соединен с трубопроводом рециркуляции отработавших газов. Расходомер Вентури присоединен в трубопроводе рециркуляции отработавших газов для приема отработавших газов из охладителя системы РОГ. При этом расходомер Вентури имеет внутреннюю стенку, которая формирует внутреннее пространство. Внутреннее пространство включает суживающуюся входную часть, суженную часть и расширяющуюся выходную часть. Внешняя стенка окружает внутреннюю стенку и прикреплена к ней. Причем внешняя стенка разнесена от внутренней стенки с формированием изолирующего пространства между внутренней и внешней стенками. Также раскрыта система выпуска отработавших газов двигателя внутреннего сгорания, содержащая расходомер Вентури.

Недостатком данного аналога является то, что измерения количества выхлопных газов производятся при заданной расчетной плотности, которая может изменяться в процессе измерения по различным причинам, и не предполагается коррекция результатов измерения по причине изменения плотности.

Аналогом данного изобретения, выбранным в качестве прототипа, является ГОСТ 8.586.1…5-2005. «Измерение расхода и количества жидкостей и газов методом переменного перепада давления».

В аспекте данного изобретения наряду со способом измерения расхода и количества жидкостей и газов с применением сужающих устройств предложено и устройство для измерения расхода и количества жидкостей и газов.

По данному способу измерения конструкция содержит сужающее устройство расположенное на измерительном трубопроводе. Перепад давления на сужающем устройстве измеряют преобразователем перепада давления. Температуру среды в трубопроводе измеряют датчиком температуры. Давление среды в трубопроводе измеряют датчиком давления. По измеренному перепаду давления на сужающем устройстве, температуре и давлению среды в трубопроводе, предопределенным параметрам сужающего устройства, измерительного трубопровода и теплофизическим параметрам среды (плотность, вязкость, энтальпия и т.п.), вычислителем рассчитывают расход и количество среды известными методами, приведенными в ГОСТ 8.586.5-2005 «Измерение расхода и количества жидкостей и газов методом переменного перепада давления. Методика проведения измерений».

По данному методу массовый расход среды рассчитывают по формуле:

q_m=K(2ρΔρ)^0,5_,

где

K=(πd²/4) С Е ε,

где параметры:

K - идентификационный параметрический коэффициент сужающего устройства;

d - диаметр отверстия сужающего устройства;

С - коэффициент истечения сужающего устройства;

Е - коэффициент скорости входа сужающего устройства;

С * Е - коэффициент расхода;

Δρ - перепад давления на сужающем устройстве;

ε - коэффициент расширения;

π - математическая постоянная;

ρ - плотность измеряемой среды;

q_m - массовый расход среды;

q_ν - объемный расход среды при рабочих условиях.

При этом указанные параметры измеряют непосредственно, либо вычисляют по результатам измерений других параметров, и коэффициент истечения труб зависит от числа, которое зависит от расхода среды, числа Рейнольдса, и поэтому уравнение для расчета расхода может быть неявным, что является существенным недостатком данного аналога.

Наряду с этим, другим существенным недостатком аналога является применение сужающего устройства под конкретную плотность измеряемой среды. Что также ограничивает диапазон применения сужающего устройства.

Задачей изобретения является повышение точности измерения расхода и количества жидкостей и газов с применением сужающих устройств.

Технический результат заявляемого изобретения выражается в уменьшении относительной погрешности измерения расхода и количества среды за счет более точного определения идентификационного параметрического коэффициента сужающего устройства, определения плотности каждой нормируемой единицы объема, расширения диапазона измеряемых расходов по плотности.

Поставленная задача решается и технический результат по способу измерения расхода и количества жидкостей и газов с применением сужающих устройств достигается тем, что согласно изобретению для измерения расхода и количества жидкостей и газов предварительно определяют для сужающего устройства калибровочную функцию зависимости идентификационного параметрического коэффициента от объемного расхода по образцовому объемному расходомеру и перепаду давления на сужающем устройстве по формуле

K=q_ν[ρ/(2Δρ)]^0,5

путем проведения калибровки (поверки) сужающего устройства объемным образцовым расходомером для каждой точки нормируемого диапазона объемного расхода и перепада давления на сужающем устройстве от минимума до максимума диапазона измеряемого расхода при известной, постоянной и контролируемой плотности рабочей среды, а измерения расхода и количества жидкостей и газов производят с одновременным определением плотности каждой нормируемой единицы объема измеряемой рабочей среды по формуле

при идентификационном параметрическом коэффициенте K, соответствующему по калибровочной функции расходу q_ν из показания рабочего объемного расходомера, стоящего на одной измерительной линии с сужающим устройством с учетом перепада давления Δρ на сужающем устройстве, и массовый расход каждой нормируемой единицы объема измеряемой рабочей среды определяется по формуле

q_m=q_νρ

Поставленная задача решается и технический результат по устройству измерения расхода и количества жидкостей и газов с применением сужающих устройств, состоящее из сужающего устройства на измерительной линии, преобразователя перепада давления, соединенного импульсными трубками с отверстиями отбора давления сужающего устройства, датчика давления, датчика температуры, контроллера, производящего считывание сигналов преобразователей перепада давления, датчика давления, датчика температуры, и расчет расхода и количества среды, согласно изобретению последовательно с сужающим устройством на одной измерительной линии установлен расходомер, измеряющий объем и объемный расход, которые считывает контроллер, определяющий в каждой точке объемного расхода по предварительно откалиброванному сужающему устройству по калибровочной функции идентификационный коэффициент сужающего устройства, и по перепаду давления и объемному расходу определяет плотность и массовый расход каждой нормированной единицы объема.

Кроме того, согласно изобретению объемный расходомер собран в теле сужающего устройства.

Суть изобретения поясняется фиг. 1, 2, 3, 4, 5.

На фиг. 1 схема устройства с установленным последовательно объемным расходомером, измеряющего объем и объемный расход.

На фиг. 2 схема устройства с установленным в теле сужающего устройства расходомером, измеряющего объем и объемный расход.

На фиг. 3 схема устройства с установленным в теле сужающего устройства вихревого расходомера ЭРВИП.НТ.М.Ж.-050/025, измеряющего объем и объемный расход.

На фиг. 4 график зависимости идентификационного параметрического коэффициента устройства с установленным в теле сужающего устройства вихревого расходомера ЭРВИП.НТ.М.Ж.-050/025.

На фиг. 5 таблица калибровки (поверки) устройства с установленным в теле сужающего устройства вихревого расходомера ЭРВИП.НТ.М.Ж.-050/025.

Устройство измерения расхода и количества жидкостей и газов с применением сужающих устройств содержит сужающее устройство 1 на измерительной линии 2, преобразователь перепада давления 3, соединенный импульсными трубками 4 с отверстиями 5 отбора давления сужающего устройства 1, датчик давления 6, датчик температуры 7, контроллер 8 и последовательно с сужающим устройством 1 на одной измерительной линии 2 установлен рабочий расходомер 9, измеряющий объем измеряемой среды и объемный расход q_ν, которые считывает контроллер 8, определяющий в каждой точке объемного расхода q_ν по предварительно откалиброванному сужающему устройству 1 на калибровочной функции идентификационный коэффициент K сужающего устройства 1, и по перепаду давления Δρ и объемному расходу q_ν вычисляет плотность ρ и массовый расход q_m каждой нормированной единицы объема измеряемой среды.

Устройство в рабочее состояние приводится следующим образом.

На поверочном стенде предварительно определяют для сужающего устройства 1 калибровочную функцию зависимости идентификационного параметрического коэффициента K от объемного расхода q_ν по образцовому объемному расходомеру (на фиг. не приводится) и перепаду давления Δρ на сужающем устройстве 1 по формуле

путем калибровки (поверки) сужающего устройства 1 объемным образцовым расходомером для каждой точки нормируемого диапазона объемного расхода q_ν и перепада давления Δρ на сужающем устройстве 1 от минимума до максимума диапазона измеряемого расхода при известной, постоянной и контролируемой плотности ρ рабочей среды определяют идентификационный параметрический коэффициент K. Калибровочная функция зависимости идентификационного параметрического коэффициента K от объемного расхода q_ν по образцовому объемному расходомеру и перепаду давления при известной, постоянной и контролируемой плотности ρ на сужающем устройстве 1, полученная в результате калибровки (поверки) сужающего устройства 1 записывается в память контроллера 8.

Работа устройства происходит следующим образом.

Контроллер 8 с рабочего объемного расходомера 9 считывает поступление нормирующих единиц объема, определяет текущий объемный расход q_ν и по калибровочной функции зависимости идентификационного параметрического коэффициента K находит текущий идентификационный параметрический коэффициент K и с одновременным считыванием текущего перепада давления Δρ рассчитывает плотность по формуле

и массовый расход каждой нормируемой единицы объема измеряемой рабочей среды определяет по формуле

q_m=q_ν ρ

По измеренным температуре и давлению среды датчиками 5 и 6, температуры и давления в измерительной линии 2, и теплофизическим параметрам измеряемой среды контроллером 8 приводят расход и количество среды известными методами к стандартным условиям.

Пример конкретной реализации способа.

Для реализации способа и устройства измерения расхода и количества жидкостей и газов с применением сужающих устройств был использован сертифицированный вихревой расходомер для измерения объема по жидкости ЭРВИП.НТ.М.Ж.-050/025 длиной корпуса 200 мм, со входным диаметром 50 мм переходящим на сужающее устройство с отверстием 25 мм (фиг. 3).

На расходомере ЭРВИП.НТ.М.Ж.-050/025, на переходе с диаметра 50 мм на диаметр 25 мм установлен преобразователь перепада давления фирмы Пьезоэлектрик, город Ростов на Дону типа 414-ДД-ВН модель 5434.

На поверочном стенде для вихревого расходомера ЭРВИП.НТ.М.Ж.-050/025, как для сужающего устройства 1, определили калибровочную функцию зависимости идентификационного параметрического коэффициента K от объемного расхода q_ν по образцовому объемному расходомеру и перепаду давления Δρ на сужающем устройстве 1 по формуле

путем калибровки (поверки) сужающего устройства 1 объемным образцовым расходомером по характерным восьми точкам нормируемого диапазона объемного расхода q_ν и перепада давления Δρ на сужающем устройстве 1 от минимума до максимума диапазона измеряемого расхода для данного расходомера при известной, постоянной и контролируемой плотности ρ рабочей среды, в данном случае для воды, определили калибровочную функцию идентификационного параметрического коэффициента K в виде таблицы 1 и графика 1. Калибровочная функция зависимости идентификационного параметрического коэффициента K от объемного расхода q_ν по образцовому объемному расходомеру и перепаду давления при известной, постоянной и контролируемой плотности ρ на сужающем устройстве 1, полученная в результате калибровки (поверки) сужающего устройства 1, записывается в память контроллера 8.

Работа устройства происходит следующим образом.

Контроллер 8 с рабочего объемного расходомера 9 считывает поступление нормирующих единиц объема, определяет текущий объемный расход q_ν и по калибровочной функции зависимости идентификационного параметрического коэффициента K находит текущий идентификационный параметрический коэффициент K и с одновременным считыванием текущего перепада давления Δρ рассчитывает плотность по формуле

и массовый расход каждой нормируемой единицы объема вихревого расходомера ЭРВИП.НТ.М.Ж.-050/025 измеряемой рабочей среды определяет по формуле

q_m=q_νρ

Зависимость идентификационного параметрического коэффициента K приводится на фиг. 4

После определения калибровочной функции идентификационного параметрического коэффициента K производят поверку прибора с применением образцовых средств по плотности, объему и массе.

Результаты поверки приводятся в таблице 1.

Предлагаемый способ и устройство измерения расхода и количества жидкостей и газов с применением сужающих устройств обеспечивает повышение точности измерения расхода и количества жидких и газообразных сред, отпуска и потребления тепловой энергии и теплоносителя, газа, пара, воды и других аналогичных сред, расширения диапазона измеряемых расходов.

Использование изобретения позволит создать устройство простое и надежное в эксплуатации, измеряющее расход в более широком диапазоне плотностей измеряемых сред.

Изобретение предназначено для обеспечения измерения и учета расхода и количества жидких и газообразных сред, отпуска и потребления тепловой энергии и теплоносителя, газа, пара, воды и других аналогичных сред и расширения диапазона измеряемых расходов в широком диапазоне плотностей измеряемых сред. В способе для измерения расхода и количества жидкостей и газов предварительно определяют для сужающего устройства калибровочную функцию зависимости идентификационного параметрического коэффициента от объемного расхода по образцовому объемному расходомеру и перепаду давления на сужающем устройстве путем проведения калибровки (поверки) сужающего устройства объемным образцовым расходомером для каждой точки нормируемого диапазона объемного расхода и перепада давления на сужающем устройстве от минимума до максимума диапазона измеряемого расхода при известной, постоянной и контролируемой плотности рабочей среды, а измерения расхода и количества жидкостей и газов производят с одновременным определением плотности каждой нормируемой единицы объема измеряемой рабочей среды, и массовый расход каждой нормируемой единицы объема измеряемой рабочей среды определяется с учетом показаний объемного расходомера, установленного последовательно с сужающим устройством на одной измерительной линии, измеряющего объем и объемный расход, которые считывает контроллер, определяющий в каждой точке объемного расхода по предварительно откалиброванному сужающему устройству по калибровочной функции идентификационный коэффициент сужающего устройства, и по перепаду давления и объемному расходу определяет плотность и массовый расход каждой нормированной единицы объема. Кроме того, объемный расходомер собран в теле сужающего устройства. Технический результат - уменьшение относительной погрешности измерения расхода и количества среды за счет более точного определения идентификационного параметрического коэффициента сужающего устройства, определения плотности каждой нормируемой единицы объема, расширения диапазона измеряемых расходов по плотности. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ измерения расхода и количества жидкостей и газов с применением сужающих устройств, заключающийся в том, что предварительно определяют для сужающего устройства калибровочную функцию зависимости идентификационного параметрического коэффициента K от объемного расхода по образцовому объемному расходомеру и перепаду давления на сужающем устройстве по формуле

путем проведения калибровки сужающего устройства объемным образцовым расходомером для каждой точки нормируемого диапазона объемного расхода и перепада давления на сужающем устройстве от минимуму до максимума диапазона измеряемого расхода при известной, постоянной и контролируемой плотности ρ рабочей среды, а измерения расхода и количества жидкостей и газов производят с одновременным определением плотности каждой нормируемой единицы объема измеряемой рабочей среды по формуле

при идентификационном параметрическом коэффициенте K, соответствующем по калибровочной функции расходу q_v из показания рабочего объемного расходомера, стоящего на одной измерительной линии с сужающим устройством, с учетом перепада давления Δр на сужающем устройстве, и массовый расход q_m каждой нормируемой единицы объема измеряемой рабочей среды определяется по формуле q_m = q_v ρ.

2. Устройство измерения расхода и количества жидкостей и газов с применением сужающих устройств, состоящее из преобразователя перепада давления, соединенного импульсными трубками с отверстиями отбора давления сужающего устройства, датчика давления, датчика температуры, контроллера, производящего считывание сигналов преобразователей перепада давления, датчика давления, датчика температуры и расчет расхода и количества среды, отличающееся тем, что последовательно с сужающим устройством на одной измерительной линии установлен расходомер, измеряющий объем и объемный расход, которые считывает контроллер, определяющий в каждой точке объемного расхода по предварительно откалиброванному сужающему устройству по калибровочной функции идентификационный коэффициент сужающего устройства и по перепаду давления и объемному расходу определяет плотность и массовый расход каждой нормированной единицы объема.

3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что объемный расходомер собран в теле сужающего устройства.