Способ определения расхода и устройство для его осуществления Советский патент 1991 года по МПК G01F1/34 

(Л

С

Изобретение относится к расходометрии и позволяет повысить точность измерения расхода при использовании расходомеров переменного перепада давления.Увеличивают расход вещества на калиброванную величину и запоминают полученное значение перепада давления на сужающем устройстве. Затем уменьшают суммарный расход вещества в заданное число раз и вновь запоминают значение перепада давления. После этого прекращают калиброванный дополнительный расход вещества, а величину расхода подсчитывают по формуле. 2 с.п.ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к области измерения расхода жидких и газообразных веществ путем пропускания их через измерительное устройство непрерывным потоком и может быть использовано для повышения точности расходомеров переменного перепада давления, находящихся в непрерывной эксплуатации.

Цель изобретения - повышение точности измерения.

Сущность способа измерения расхода жидких и газообразных веществ заключается в следующем.

Объемный расход жидкости, протекающей через сужающее устройство, определяется зависимостью

Q 0,01252 ае т D2 Y-L ( PI - Р2 ), (1) а весовой расход

О . 0,01252 Ј m D2 ,-Р2) , (2)

где а - коэффициент расхода, зависящий от Re в. ламинарной области и не зависящий в турбулентной;

е- коэффициент расширения, причем для капельной жидкости

е- 1, а для паров и газов е 1;

Л2 m - - модуль сужающего устройЛ D2

О 00

го

XI

ю ел

ства;

р- плотность среды в сечении перед входом потока в отверстие диафрагмы;

Pi и Р2 - давление в трубопроводе до диафрагмы it давление за диафрагмой соответственно;

О - диаметр трубопровода.

Выходной сигнал дифманометра при измерении, например, объемного расхода. исходя из выражения (1), равен.

Ki(Pi-P2)Kip-Q2

2ч2

(0,01252 aemD-2)

(3)

где Ki - коэффициент преобразования перепада давления в электрический сигнал.

Как видно из (3), расход вещества и перепад давления на сужающем устройстве связаны квадратичной зависимостью, и градуировочная характеристика расходомера имеет вид параболы. В окрестности I рабочей точки характеристики, задаваемой значением измеряемого расхода QI, участок параболы заменим касательной, уравнение которой

+ SQ,(4)

где

s- dV

2pKiQ

( 0.01252 aemD2)2 дифференциальная чувствительность диф- манометра-расходомера; а-.нулевой коэффициент, определяющий I положение касательной относительно нуля градуировочной характеристики.

Из-за нестабильности параметров су- жающего устройства (а, е, м, D) в процессе эксплуатации, непостоянства плотности среды и погрешностей дифманометра происходит неконтролируемое смещение и поворот аппроксимирующей касательной относительно начального положения в момент градуировки. С учетом погрешностей преобразования для значения Q Qi имеем

Zi Si (1 + yi) Qi + ai + (5i ,(5)

где Si - дифференциальная чувствительность, соответствующая расходу Qi;

ASi

yi -«- - относительная мульти- 1

пликативная погрешность преобразования (погрешность чувствительности), вызываемая изменением наклона аппроксимирующей касательной; б AQi - абсолютная аддитивна погрешность преобразования (погрешность нуля), вызываемая смещением аппроксимиру- ющей касательной относительно нуля градуировочной характеристики.

По данному способу вначале измеряют и запоминают сигнал (обычно в цифровой форме) ZL Затем увеличивают расход веще- ства на калиброванное значение ДОо, которое выбирают из условия изменения выходного сигнала Z на величину, превышающую на порядок его среднеквадратиче- ское отклонение (СКО).

Z2 Si1(1 + yiXQi + A Qo) + ai , (6) где Si - дифференциальная чувствительность, соответствующая увеличенному значению измеряемого расхода;

у и 5i -погрешности преобразования измеряемого расхода.

Отклонения в измеряемом сигнале носят случайный характер и вызываются флюктуационными процессами в жидкости и газе, проходящих через сужающее устройство, и электрическими шумами и помехами, сопутствующими измерительные преобразования. Максимальная случайная погрешность измерения

Д2„акс. ,

(7)

У 2

где oZ - дисперсия случайных отклонений;

/ - коэффициент, связывающий СКО с максимальной погрешностью и зависящий от доверительной вероятности.

Так, при нормальном законе распределения случайных отклонений от среднего значения и вероятности Р 0,997 коэффициент/ 3.

Для обеспечения достоверности измерения и запоминания Zi с учетом действия других дестабилизирующих факторов коэффициент/3 выбирают с определенным запасом

10 /3(8)

В соответствии с условием (S) и соотношением (7) калибрования изменение расхода выбирают из равенства

Z2-Zi 10/JzT(9)

Полагая чувствительность и погрешности в окрестностях рабочей точки неизменными (Si Si, xi yi01 5i ) из выражения (9) с учетом (5) и (6) имеем

Д0о

1QV(TZ2 81

(10)

где д Z2 - дисперсия измеряемого сигнала. Измеряют и запоминают сигнал Та., соответствующий увеличенному расходу. Далее уменьшают суммарный расход вещества (Qi + Л Qo) через сужающее устройство в заданное число раз, близкое к единице. При этом выходной сигнал дифманометра-рас- ходомера становится равным (1+ y i}J(Qi+ AQo)+af+«3i, (11) где t} - коэффициент шунтирования потока.

Коэффициент rj также выбрают из условия

Z2-Za lOVTz2.(12)

Полагая чувствительность и погрешности неизменными в окресностях рабочей точки, получаем

(13)

Измеряют и запоминают сигнал 2з, который соответствует уменьшенному значению расхода rj (Qi +AQo) . Изменяют первоначальный расход вещества в трубопроводе прекращением дополнительного расхода (A Qo О). Уменьшившемуся значению расхода соответствует сигнал

Ю/Н///Я//т

(1 +yi)/Qi+ai + 5i , (W

где Si - дифференциальная чувствительность, соответствующая уменьшенному значению расхода;

уГи - погрешности преобразования уменьшенного расхода Qi.

При малых изменениях измеряемого расхода (A Qi «Qi, ij 1 ) все четыре измерения происходят в окрестностях рабочей точки Q Qi.

1 Погрешности преобразования у и д являются медленно меняющимися функциями времени. Поэтому во всех четырех измерениях, производимых достаточно быстро, можно считать, что погрешности одинаковые (yi yi di 5i 5f 5i J,a чувствительности равны (Si Si Si i). Совместным решением уравниваний (5), (6), (11) и (14) получают расчетное соотношение для определения искомого расхода вещества.

Таким образом, определение расхода по формуле не зависит от дифференциальной чувствительности расходомера Si и нулевого коэффициента а, которые в процессе длительной эксплуатации расходомера могут существенно изменяться как вследствие изменения состояния сужающего устройства, изменения плотности среды, так и от изменения коэффициента преобразования дифманометра. При этом линеаризуется зависимость между измеряемым расходом Q и его калиброванным изменением A Qo. Из результата измерения исключена мультипликативная ( у ) и аддитивная ( д ) составляющие погрешности преобразования измеряемого расхода вещества.

При обеспечении станционарного характера движения потока вещества в трубопроводе и установившемся значении расхода, т.е. при Z f (Q т) const, где г- интервал времени, необходимый для реализации алгоритма, точность измерения по предлагаемому способу определяется погрешностью формирования дополнительного расхода AQ0« Qx. Современные за датчики расхода жидкости (шестеренные. дозировочные насосы) или газа (стабилизаторы расхода газа) позволяют задавать мзлые расходы AQ0 с предельной погрешностюб,5 %. Использование многоразрядных аналого-цифровых преобразо вателей обеспечивает относительную погрешность преобразования результатов Zi,

0,5%.

При изменении расхода до значения Q Q2 изменяется соответственно и выходной сигнал дифманометра

Zi S2(1 +П)02 +а2 +(52(15)

где S2 -дифференциальная чувствительность при расходе Cte;

yz и & - погрешности преобразования разности давления в электрический сигнал.

Организуя три дополнительных измерения по аналогии с (6), (11) и (14) в окрестностях новой рабочей точки Q СЬ.можно определить действительный расход, независимый от погрешностей у2 и 62 , также от плотности потока вещества.

Способ позволяет повысить точность измерения, особенно больших расходов, используя в качестве образцовой меры калиброванные малые расходы, а также дает возможность исключить частые периодические калибровки измерительных каналов расхода при длительной их эксплуатации, а также продлить срок службы сужающих устройств. Практическая реализация способа достигается с помощью простых устройств и серийных средств измерений.

На чертеже приведена структурная схема устройства, реализующего описанный способ.

Устройство для определения расхода веществ содержит трубопровод 1 с установленным в нем сужающим устройством 2, дифференциальный манометр 3, подклюценный посредством линии 4 связи к аналого-цифровому преобразователю (АЦП) 5, соединенному с входом блока 6 вычисления, первый выход которого подключен к индикатору, запорный вентиль 8, первый

байпас 9 с последовательно установленными в нем насосом 10, накопительной емкостью 11 и задатчиком 12 расхода, второй байпас 13 с установленным в нем клапаном 14, управляющим входом соединенным с

шходом первого исполнительного меха- йизма 15, второй исполнительный механизм 16, входом подключенный к выходу цифроаналогового преобразователя (ЦАП) 17.

Устройство работает следующим образом,

В исходном состоянии по трубопроводу 1 протекает измеряемая среда.

На выходе АЦП 5 формируется цифро- бой код NI Zi, соответсвующий расходу вещества Qi, который поступает в блок 6 вычислителя, где запоминается. Далее в ЦАП 17 формируется управляющее напряжение, которое воздействует на ис- волнительный механизм 15, открывающий Запорный вентиль 8 байпаса 9. С помощью насоса 10 в накопительую емкость 11 нагнетается текущая по трубопроводу среда.

После наполнения емкости 11 запорный вентиль 8 закрывается и отключается насос 10. Затем по сигналу с выхода блока 9 вычислителя с помощью ЦАП 17 открывайся запорный клапан задатчика 12 расхо- да жидкости (или газа) и создается Дополнительный, наряду с основным , калиброванный расход A QO. Напряжение на выходе дифманометра 3 изменится и будет Соответствовать цифровому коду на Выходе АЦП 5. Код N2 запоминается в блоке 6 вычисления, после чего с помощью ЦАП 17 открывается клапан 14 второго байпаса 13, шунтирующего сужающее устройство 2. В результате суммарный расход Вещества до сужающего устройства уменьшится в определенное число раз.

Новому установившемуся напряжению дифманометра будет соответствовать цифровой код N3-Z3, который также запомина- IJDT. Затем перекрывается запорный клапан задатчика 12 расхода вещества и прекращается тем самым дополнительный расход Д Qo. Уменьшившемуся расходу будет соответствовать цифровой код N4S -SZ4, который запоминается. С помощью полученных результатов основного и дополнительных преобразований измеряемого расхода Zi, Z2, Za и Z4, а также известного значения расхода A QO вычисляется в соот- йетствии с алгоритмом искомое значение расхода вещества.

Моделирование погрешности преобразования расходомера в пределах Ь10% по- казало, что погрешность измерения результата, полученная по алгоритму, не превышает 0,.5%.

Формула изобретения

(Zi-Z4)AQo U (Z2-Z1)-(Z3-Z7y где Q - значение искомого расхода; AQ0- -дополнительный калиброванный расход, на который изменяют установившийся расход;

Zi - сигнал на вычоде дифманометра, соответствующий текущему установившемуся расходу;

Z2 - сигнал на выходе дифманометра, соответствующий измененному расходу на величину дополнительного калиброванного расхода;

Z.2 - сигнал на выходе дифманометра, соответствующий уменьшенному суммарному расходу через измерительное устройство в заданное число раз;

ZA - сигнал на выходе дифманометра после прекращения дополнительного калиброванного расхода.

2.Устройство для определения расхода, содержащее сужающее устройство, устанавливаемое в участок трубопровода, дифференциальный манометр, включенный на входе и выходе сужащего устройства, выход дифференциального манометра через аналого-цифровой преобразователь подключен к входу блока вычисления, первый выход которого соединен с индикатора.-,, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерения, в него введены первый байпас с последовательно размещенными в нем запорным вентилем, насосом, накопительной емкостью и задат- чиком расхода, второй байпас с размещенным в нем клапаном, трехканальный цифро- аналоговый преобразователь, подключенный входом к второму выходу блока вычисления, первый и второй исполнительные механизмы, выходы которых подключены к входам управления соответственно клапана и запорного вентиля, а входы соединены соответственно с первым и вторым выходами трехканального цифроаналогового ового преобразователя, третий выход которого подключен к управляющему входу за- датчика расхода, причем первый байпас подключен к трубопроводу до сужающего устройства, а второй байпас соединяет вход и выход сужающего устройства.