Электронный корректор объема газа

Полезная модель относится к области измерительной техники, в частности к электронным корректорам объема газа, и может найти применение для коммерческого учета объема газа при рабочих и стандартных условиях в составе узлов учета природного газа в газораспределительных сетях низкого давления.
Известен корректор расхода газа (патент РФ №35430 опубликовано 10.01.2004), содержащий формирователь сигналов от токовых датчиков, входы, к которым подключены два температурных датчика, коммутатор сигналов, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), центральный процессор, энергонезависимые часы, интерфейсы с компьютером и внешним принтером, энергонезависимую память, переносной блок накопления и хранения информации, блок индикации. Недостатком данного устройства является отсутствие каких-либо средств измерения давления и учета его влияния на расход (объем) газа, что уменьшает точность измерений.
Известен блок коррекции объема газа Флоугаз производства компании ООО ЭПО “Сигнал”, г. Энгельс-19 (руководство по эксплуатации СЯМИ.408843-623 РЭ), содержащий пыле- и влагозащищенный корпус, вычислитель микропроцессорный с дисплеем, клавиатурой, автономным источником питания, преобразователь абсолютного (избыточного) давления, преобразователь перепада давления, термопреобразователь температуры газа, энергонезависимую память, интерфейсы обмена данными с внешними устройствами (оптический и проводные). Устройство предназначено для коммерческого и технологического учета газа на газораспределительных станциях и газораспределительных пунктах промышленных предприятий и объектов коммунального хозяйства. Обычно корректоры такого типа используются совместно с промышленными магистральными счетчиками (ротационными, турбинными, вихревыми, ультразвуковыми, струйными счетчиками газа) и устанавливаются в газовых сетях среднего или высокого давления. Применение подобного устройства с диафрагменными счетчиками бытовыми потребителями, на предприятиях общественного питания, небольших котельных и т.п. технически более сложно и поэтому экономически нецелесообразно. Недостатком данного устройства является сложность подключения, в том числе из-за использования внешних преобразователей давления, а также предъявлением дополнительных требований к монтажу устройства т.к. подключение датчиков абсолютного или избыточного давления газа осуществляется при помощи устройств для отбора давления из трубопровода. Это приводит к более высоким затратам по сравнению с электронными корректорами, осуществляющими коррекцию объема газа только по температуре.
В качестве прототипа был выбран корректор объема газа ТС-220, созданный ООО “Эльстер Газэлектроника”, г. Арзамас (руководство по эксплуатации ЛГТИ.407228.020 РЭ), ориентированный на использование бытовыми потребителями. Корректор содержит пыле- и влагозащищенный корпус, микроконтроллер, энергонезависимую память, внешний датчик импульсов от счетчика газа, внешний термометр сопротивления, внутренний источник питания (батарея), пленочную клавиатуру, дисплей, оптический и проводной интерфейс взаимодействия с внешней системой обработки результатов измерений. Недостатком прототипа является то, что у него отсутствует возможность учитывать влияние давления на объем газа, а давление газа при расчете коэффициента коррекции принимается условно-постоянным (задается в настройках корректора).
Методика вычисления объема газа, приведенного к нормальным условиям, определяется ГОСТ Р 8.882-2015 по формуле 1 следующим образом:
C
V=V·C (1),
C
где V - объем газа, вычисленный при стандартных условиях;
V - рабочий объем газа;
C - коэффициент коррекции, вычисляемый по формуле 2, приведенной ниже.
В свою очередь коэффициент коррекции вычисляется следующим образом:
п
где К - подстановочное значение коэффициента сжимаемости газа;
атм
Р - атмосферное давление;
изб
Р - подстановочное значение избыточного давления газа;
с
Р - стандартное значение давления газа;
с
Т - стандартное значение температуры газа;
Т - температура газа.
Следует учитывать, что в соответствии с ГОСТ Р 54983-2012 в газораспределительных сетях низкого давления избыточное давление газа не должно превышать 5 кПа, а колебания атмосферного давления в течение года в одном и том же населенном пункте могут более чем в 1,5 раза превышать это значение. Например, в Санкт-Петербурге за 2015 году разброс значений атмосферного давления составил более 8,5 кПа. Также более 8,5 кПа составил разброс значений атмосферного давления за 2016 год в Челябинске, более 7 кПа в 2019 году в Москве и т.д. Источником приведенных сведений являются открытые данные измерений погодных условий, передаваемые международными системами наблюдения за погодой METAR и SYNOP.
Так как коэффициент коррекции объема газа пропорционален давлению, то можно сделать вывод, что отсутствие учета влияния колебаний атмосферного давления при расчете коэффициента также приведет к разбросу значений объема газа, посчитанного при стандартных условиях, до 8% и более (с учетом факта того, что значение нормального атмосферного давления принимается равным 101,325 кПа).
Технической задачей предлагаемой полезной модели является расширение функциональных возможностей (измерение атмосферного давления) и повышение точности измерений объема газа в газораспределительных сетях низкого давления путем учета влияния атмосферного давления без усложнения технологии монтажа изделия.
Задача решается тем, что электронный корректор объема газа, содержащий пыле- и влагозащищенный корпус и имеющий в своем составе: микроконтроллер, управляющий всем устройством; энергонезависимую память, подключенную к микроконтроллеру; входной канал, к которому подключен термопреобразователь сопротивления, измеряющий температуру газа и при помощи аналогово-цифрового преобразователя подключенный к микроконтроллеру; входной канал, к которому подключен датчик импульсов, устанавливаемый на газовый счетчик; выходные каналы для передачи данных от микроконтроллера во внешнюю систему обработки результатов измерений в виде различных комбинаций проводных, беспроводных и оптических каналов связи; прочие входы и выходы (в том числе позволяющие подключать внешнее питание); органы управления (кнопки); экран для визуального отображения различной информации; встроенный источник питания (батарея или аккумулятор), причем дополнительно внутри корпуса электронного корректора введен интегральный датчик атмосферного давления, соединенный с микроконтроллером, и специальный клапан выравнивания давления, соединяющий внутреннюю полость корпуса корректора с атмосферой через микроотверстия, обеспечивающие циркуляцию воздуха, и гидрофобную мембрану, которая пропускает молекулы газа, но отбрасывает жидкость и твердые частицы.
Микроконтроллер синхронно производит измерения атмосферного давления и температуры газа с помощью интегрального датчика атмосферного давления и датчика температуры газа.
Специальный клапан выравнивания давления служит для выравнивания давления внутри корпуса до значений атмосферного давления и сохранения требований к обеспечению защиты от пыли и влаги. В клапане имеются микроотверстия, обеспечивающие циркуляцию воздуха, и гидрофобная мембрана, которая пропускает молекулы газа, но отбрасывает жидкость и твердые частицы. Для защиты мембраны от попадания твердых частиц каналы поступления газа имеют форму “лабиринтов”. Дополнительно вывод избыточного давления из корпуса через клапан защищает уплотнительные материалы от появления микротрещин и микрощелей, которые могут возникать при колебаниях избыточного давления внутри корпуса. Вместо отдельного клапана выравнивания давления может использоваться кабельный ввод с аналогичным встроенным клапаном.
Использование встроенного в электронный корректор датчика атмосферного давления приводит к значительному повышению точности измерений по сравнению с прототипом.
Полезная модель поясняется функциональной схемой, показанной на фиг. 1.
Электронный корректор объема газа работает следующим образом. Внешний датчик импульсов 14, подключенный к корпусу корректора через герметичный кабельный ввод 11, генерирует низкочастотный сигнал при каждом прохождении через счетчик газа некоторого фиксированного объема газа. Данный сигнал обрабатывается микроконтроллером 2 и используется для подсчета рабочего объема газа. Через настраиваемые промежутки времени или по иным событиям микроконтроллер 2 опрашивает интегрированный датчик давления 10 и блок аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 9. Блок АЦП 9 измеряет сопротивление внешнего резистивного термодатчика 13, подключенного к корректору через герметичный кабельный ввод 11, и преобразовывает измеренные значения в цифровой код, который в свою очередь преобразовывается микроконтроллером 2 в абсолютное значение температуры газа с учетом поправочных коэффициентов. Интегрированный датчик атмосферного давления 10 производит измерения давления внутри корпуса Рв, которое выравнено по отношению к внешнему атмосферному давлению Pa за счет того, что в корпусе 1 имеется клапан выравнивания давления 12. Вместо использования отдельного клапана выравнивания давления 12 имеется возможность замены одного из кабельных вводов 11 на кабельный ввод с аналогичным встроенным клапаном для выравнивания давления. Измеренные значения температуры и атмосферного давления используются микроконтроллером 2 для расчета коэффициента коррекции объема газа, который в свою очередь используется для приведения рабочего объема газа к стандартным условиям. Результаты измерений и расчетов фиксируются в энергонезависимой памяти 3. В дальнейшем обмен данными с внешней системой обработки результатов измерений может производиться при помощи подключения к устройству через оптический порт 8 стандарта ГОСТ IEC 61107-2011, либо при помощи постоянного проводного подключения через герметичный разъем 4 по протоколу RS-485, поддержку которого обеспечивает специализированный блок 7. Взаимодействие корректора с пользователем осуществляется при помощи кнопок герметичной пленочной клавиатуры 6 и вывода на экран 5 различной информации.
Таким образом, электронный корректор обеспечивает расширение функциональных возможностей корректора (измерение атмосферного давления) и повышение точности измерений объема газа в газораспределительных сетях низкого давления без усложнения технологии монтажа изделия.