Способ измерения массового расхода и устройство для его осуществления

Изобретения относятся к измерительной технике и могут использоваться при коммерческом расчете за потребленное количество топлива. Для реализации способа организуют два измерительных участка: один - для измерения объемного расхода среды методом нулевого перепада давления на объемном расходомере в виде мотора, другой - для измерения дифференциального давления на сужающем устройстве. Мотор включен в контур поддержания нулевого перепада давления, содержащий двигатель, связанный с входным валом мотора, устройство управления частотой вращения вала и измеритель частоты вращения вала. Участок с сужающим устройством расположен по потоку за участком с объемным расходомером. Массовый расход находится вычислителем путем деления перепада давления на объемный расход. Изобретения обеспечивают повышение точности измерения из-за отсутствия неучитываемых протечек, уменьшения влияния вязкости, плотности, температуры, пульсаций давления среды. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться для измерения расхода различных сред, в частности при коммерческих расчетах с поставщиками топлива.

Известны способы измерения массового расхода, например [1. П.П.Кремлевский. Расходомеры и счетчики количества вещества. СПб. Политехника. 2002], включающие измерение расхода по показаниям дифференциального манометра и плотности с помощью сужающих устройств.

Недостатками этих технических решений является большая погрешность измерения расхода, а также большие габариты устройства.

Известен способ измерения массового расхода [2. Многопараметрический массовый расходомер Multivariable модель 3095 MV. Проспект фирмы Fischer - Rosemount 00813-0100-4716 Rev DA 11/98, тел. [phone]], включающий измерение расхода потока при помощи измерителя перепада давления.

Недостатками этого способа при реализации технического решения являются:

- В диапазоне измерений требуется выдерживать определенный режим течения (числа Re).

- Использование дополнительных приемов для компенсации погрешностей измерения расхода с помощью метода перепада давления, таких как измерение абсолютного и избыточного давления в потоке, а также его температуры.

Недостатком устройства по известному способу является сравнительно небольшой диапазон измерения расхода, менее 10, обеспечивающий погрешность измерения 1%. Кроме того, величина погрешности исчисляется не к текущему значению, а берется максимальное значение шкалы.

Близким аналогом является известный расходомер [3. расходомер PLU 103 А производства фирмы Pierburg Luftfahrtgerate Union GmbH. Bataverstr. 80/ Postfach 100 261 D-4040 Neuss West-Germany.tel. [phone], информационный листок].

Известный способ измерения расхода [3], включающий измерение объемного расхода среды при нулевом перепаде давлений на моторе по числу его оборотов, имеет следующие недостатки:

- массовый расход можно получить только при известной плотности измеряемой среды;

- необходимость введения коррекции по температуре измеряемой среды при измерении массового расхода;

- большой диапазон измерения (более 100) нельзя получить на одном типе прибора.

Известное устройство [3], содержащее мотор с электродвигателем, измеритель числа оборотов, связанный с вычислителем, имеет следующие недостатки:

- индикатор дифференциального давления в виде оптической пары требует стабилизированного электропитания;

- сложный датчик дифференциального давления - притертая пара «золотник-цилиндр», которая не должна допускать неучтенных протечек;

- датчик отклонений золотника от равновесного положения фиксируется оптической парой через прозрачное стекло цилиндра, которое ограничивает рабочее давление измеряемого расхода.

К предлагаемому способу наиболее близким, принятому за прототип, является способ измерения массового расхода [4. Устройство для измерения массового расхода газообразных и жидких сред. А.с. №360551, БИ №36, 1973].

Устройство по известному способу [4] содержит два измерительных участка с объемным расходомером в виде мотора и с сужающим устройством и измерителем перепада давления на сужающем устройстве.

Недостатками известного способа [4] являются:

1. Измерение объемного расхода производится с погрешностью из-за протечек через чувствительный элемент расходомера, выполненный в виде турбинки.

2. Взаимное расположение по потоку сужающего устройства (СУ) и далее турбинки вносит дополнительную погрешность при измерении из-за возможного расширения газообразной среды после СУ, увеличению ее объема и скорости вращения турбинки, фиксирующей этот объем.

3. Чем больше перепад на СУ, тем больше погрешность при измерении объемного расхода газообразной среды.

4. Для повышения устойчивости работы двух измерительных участков при малых расходах используется дополнительное устройство, снижающее точность измерения расхода в диапазоне от нуля до Q_мин.

5. Малый диапазон измерения массового расхода.

6. При измерении газожидкостной смеси (ГЖС) невозможность создания пробкового режима течения ГЖС.

Целью изобретения является устранение перечисленных недостатков в известных способах и устройствах.

Для устранения недостатков предлагается способ измерения массового расхода среды, включающий организацию двух измерительных участков, соответственно с объемным расходомером в виде мотора и с сужающим устройством, измерение объемного расхода, измерение перепада давления на сужающем устройстве и определение массового расхода путем деления величины перепада давления на объемный расход, в котором измерительные участки с объемным расходомером и сужающим устройством располагают по потоку последовательно друг за другом, при этом объемный расход измеряют при нулевом перепаде давления на моторе по частоте вращения вала электродвигателя контура поддержания нулевого перепада давления.

Для реализации указанного способа предлагается массовый расходомер среды, содержащий два измерительных участка с объемным расходомером в виде мотора и с сужающим устройством и измерителем перепада давления на сужающем устройстве, своим выходом связанным с вычислителем, в котором измерительный участок с сужающим устройством расположен по потоку за участком с объемным расходомером, мотор которого включен в контур поддержания нулевого перепада давления, включающий в себя электродвигатель, жестко связанный с входным валом мотора, устройство управления частотой вращения вала электродвигателя и измеритель частоты вращения вала электродвигателя, выход которого связан с вычислителем.

По существу предлагается комбинированный способ измерения массового расхода, в котором объемный расход Q измеряется методом нулевого перепада давления, а методом переменного перепада давления на СУ измеряется величина перепада давления пропорциональная величине ρQ² в рабочих условиях возможного непрерывного изменения этого значения. Таким образом, на СУ измеряется перепад давления не для измерения объемного расхода, а для вычисления фактической величины плотности среды.

Для реализации способа организуют два измерительных участка: один для измерения объемного расхода, другой - для измерения перепада давления на СУ и последующего вычисления массового расхода ρQ, величина которого пропорциональна частному при делении величины ρQ² на величину Q.

На чертеже представлена схема устройства, реализующего предлагаемый способ, где 1 - первый измерительный участок для измерения объемного расхода, 2 - вход в измерительный участок 1, 3 - выход из первого измерительного участка 1, 4 - мотор, например, винтового типа, 5 - второй измерительный участок для измерения перепада давления, 6 - СУ, например, стандартное, 7 - вход во второй измерительный участок 5, 8 - выход из измерительного участка 5 и гидравлический выход из устройства измерения массового расхода, 9 - гидравлический канал на входе в устройство измерения массового расхода.

Измерительная часть состоит: 10 - измеритель перепада давления, 11 - привод, например, электрический двигатель, пневматический и др., жестко связанный с входным валом мотора 4, 12 - измеритель частоты вращения вала электродвигателя; 13 - устройство управления частотой вращения вала электродвигателя, 14 - измеритель перепада давления на СУ, 15 - вычислитель, 16 - выход массового расходомера.

Способ реализуется следующим образом.

Контур с оборудованием 10, 11, 13 предназначен для поддержания нулевого перепада на моторе 4. Измеритель перепада давления (нуль - орган) 10 при возникновении перепада давления на моторе 4 подает сигнал управления через устройство управления частотой вращения 13 вала привода (электродвигателя) 11 для снижения величины перепада давления до нуля. Сигнал измерителя частоты вращения 12 вала привода (электродвигателя) фиксируется в вычислителе 15 для подсчета объемного расхода.

Контролируемая среда проходит по каналу 9 на вход 2 и попадает на измерительный участок 1 в мотор 4. Частота вращения вала мотора 4 прямо пропорциональна объемному количеству среды в единицу времени, проходящего через мотор 4, которое контролируется измерителем частоты вращения вала 12, и его сигнал передается в вычислитель 15. Далее среда проходит через выход 3 измерительного участка 1 на вход 7 измерительного участка 5 в СУ 6, на котором измеряется перепад давления измерителем 14. Полученные данные передаются в вычислитель 15.

При одновременном измерении частоты вращения вала двигателя 12, пропорциональной расходу объемному расходу, фиксируется перепад давления, пропорциональный величине ρQ². По этим данным производят в вычислителе 15 операцию обработки результатов измерения для получения искомого результата - массового расхода среды путем деления величины перепада давления (ρQ²) на величину объемного расхода (Q).

Более детально это происходит так. Одновременно имеются две измеренные величины. Первая - это величина объемного расхода, прошедшего через первый измерительный участок 1. Неучтенные протечки близки к нулю при нулевом перепаде на моторе 4. Точность измерения объемного расхода высокая. Объем перекачиваемой среды в единицу времени мотором становится известной величиной, которая прямо пропорциональна частоте вращения вала регулируемого электродвигателя. Т.е. объемный расход равен единичному объему (литражу) самого мотора 4, умноженному на частоту вращения вала привода (электродвигателя).

Таким образом, частота вращения вала электродвигателя, умноженная на постоянный размерный коэффициент, является объемным расходом среды Q на первом измерительном участке 1.

Вторая измеренная величина - это перепад давления на втором измерительном участке 5, полученный с помощью СУ 6 и измерителя перепада давления 14. Переданная информация от измерителя 14 о перепаде давления на СУ в вычислитель 15 используется далее как величина скоростного напора, зависимого от плотности среды и ее скорости (объемного расхода).

Наличие двух величин - объемного расхода Q, пропорционального частоте вращения вала электродвигателя, и скоростного напора ρQ², пропорционального перепаду давления среды на СУ, позволяет при делении второй величины на первую получить массовый расход среды, пропорциональный величине ρQ во всем диапазоне измерений.

Преимущества предлагаемого способа, приобретаемого с помощью признаков, приведенных в отличительной части формулы, состоят в следующем:

- введение двух измерительных участков, расположенных последовательно, для получения данных о двух независимых переменных и для решения одного уравнения с двумя неизвестными

М=ΔР/Q=(K_V ρ V²/2)/K_Q n Q1 = K_V К₁ ρ Q²/К_Q n Q1 = К ρ Q.

М - искомый массовый расход, ΔР - перепад давления на СУ, K_Q - коэффициент объемного расхода, n - частота вращения вала привода (электродвигателя) 11 и одновременно мотора 4, Q1 - литраж мотора 4 на 1 оборот, K_V - коэффициент скорости, V - скорость среды, протекающей через СУ, ρ - плотность среды, К - коэффициент массового расхода.

- измерительные участки расположены последовательно по потоку так, что сначала среда попадает в измерительный участок с объемным мотором и далее в измерительный участок с СУ. Такое расположение позволяет измерять объемный расход среды (возможно с различной плотностью) с минимальной погрешностью, т.к. далее поток проходит через СУ, в котором он подвергается деформации. При обратном расположении измерительных участков погрешность измерения объемного расхода выше.

- сочетание способов измерения: измерения объемного расхода при нулевом перепаде давлений на моторе по частоте вращения его вала и измерения перепада давления на СУ.

В отличие от традиционного способа, при котором расход среды измеряется с помощью СУ (квадратичная зависимость расхода от перепада давления на СУ), предлагаемый способ использует измеренные данные с помощью СУ только для определения перепада давления, при котором соблюдается пропорциональная зависимость скоростного напора от перепада давления на СУ.

Измерение расхода при нулевом перепаде давлений на моторе придает предлагаемому техническому решению следующие преимущества:

- отсутствие квадратичной зависимости «расход - перепад давлений»,

- значительное расширение диапазона измерений с сохранением погрешности как в начале шкалы, так и относящейся к концу диапазона,

- отсутствие протечек при нулевом перепаде позволяет измерять расход с максимальной точностью,

- среда не подвергается сжатию и расширению, проходя через первый измерительный участок при измерении объемного расхода,

- сведение к минимуму влияния плотности и вязкости среды.

При вычислении массового расхода используются полученные данные перепада давления на СУ, включенного во второй измерительный участок, и одновременно полученные данные объемного расходомера первого измерительного участка.

Устройство для реализации предлагаемого способа работает следующим образом.

Среда проходит через измерительный участок 1 мотора 4. Измеритель перепада давления 10 измеряет отклонения по перепаду давления между входом 2 и выходом 3 канала среды и передает в вычислитель 15. В устройстве элементы 10, 11, 12, 13 вместе составляют регулятор по поддержанию перепада давления ΔР≈0 на измерительном участке 1 (на моторе 4). В такой схеме регулятор реагирует на изменение нагрузки по давлению как на входе 2, так и на выходе 3 канала среды. При превышении давления на входе 2 над давлением выхода 3 отрицательный сигнал по перепаду давления приводит к повышению частоты вращения вала мотора 4 для компенсации сигнала по перепаду давления. При положительном знаке перепада давления 10 вычислитель и устройство управления частотой вращения вала привода (электродвигателя) 11 и мотора 4 уменьшают частоту вращения для снятия этого сигнала.

Таким образом, мотор 4 работает в режиме нулевого перепада на всем диапазоне частоты вращения вала вместе с приводом (электродвигателем) 11.

Данные по частоте вращения, полученные с измерителя оборотов 12, передаются в вычислитель 15 как величины, пропорциональные действительному объемному расходу Q для обработки результатов измерения, преобразования и получения искомой величины в виде массового расхода М.

Далее измеряемая среда из участка 1 продвигается через выход 3 и вход 7 в измерительный участок 5, в котором расположено устройство 6 СУ, и далее на гидравлический выход 8 из устройства измерения массового расхода.

Перепад давления ΔР от измерителя перепада давления 14 передается в вычислитель 15, в котором совместно с полученными данными по измерительному участку 1 (n, Q1) формируется окончательное значение М массового расхода среды в виде М=ΔР/n Q1=ρQ²/Q=ρQ.

Преимущества устройства, реализующего предлагаемый способ, следующие:

- мотор 4 практически не имеет неучтенных протечек как внутри элементов мотора (например, винтов), так и снаружи между элементами и корпусом мотора, что значительно уменьшает погрешность измерения объемного расхода Q через измерительный участок 1,

- фактически диапазон измерения зависит от технических возможностей мотора и привода (электродвигателя) с большим диапазоном изменения частоты вращения,

- нет необходимости вводить корректирование сигнала по расходу для получения поправок по параметрам среды и окружающей среды - давление, температура, плотность и вязкость,

- объем Q1 (литраж), приходящийся на 1 оборот мотора, всегда один и тот же во всем диапазоне измерения и не зависит от типа жидкости и газа, плотности, вязкости и температуры перекачиваемой среды, поскольку геометрический объем замыкания между винтами всегда один и тот же,

- погрешность исчисляется во всем диапазоне от текущего значения.

- повышается точность расходомера из-за отсутствия неучитываемых протечек, уменьшения влияния вязкости, плотности, температуры среды и окружающей среды, повышается точность и надежность расходомера при измерении расходов с высокими уровнями давления, пульсациями давления в широком диапазоне изменения температур измеряемой среды.

1. Способ измерения массового расхода среды, включающий организацию двух измерительных участков соответственно с объемным расходомером в виде мотора и с сужающим устройством, измерение объемного расхода, измерение перепада давления на сужающем устройстве и определение массового расхода путем деления величины перепада давления на объемный расход, отличающийся тем, что измерительные участки с объемным расходомером и сужающим устройством располагают по потоку последовательно друг за другом, при этом объемный расход измеряют при нулевом перепаде давления на моторе по частоте вращения вала двигателя контура поддержания нулевого перепада давления.

2. Массовый расходомер среды, содержащий два измерительных участка с объемным расходомером в виде мотора и с сужающим устройством и измерителем перепада давления на сужающем устройстве, своим выходом связанным с вычислителем, отличающийся тем, что измерительный участок с сужающим устройством расположен по потоку за участком с объемным расходомером, мотор которого включен в контур поддержания нулевого перепада давления, включающий в себя двигатель, жестко связанный с входным валом мотора, устройство управления частотой вращения вала двигателя и измеритель частоты вращения вала двигателя, выход которого связан с вычислителем.