СПОСОБ ВЫСОКОТОЧНОГО ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНО-ИНТЕГРИРУЮЩЕГО ИЗМЕРЕНИЯ РАЗНОСТИ МАСС (ОБЪЕМОВ) ЖИДКИХ И ГАЗООБРАЗНЫХ СРЕД НА ОСНОВЕ СУЖАЮЩИХ УСТРОЙСТВ
METHOD OF HIGH-PRECISION DIFFERENTION-INTEGRATION MEASUREMENT OF DIFFERENCE IN FLUID AND GAS WEIGHTS (VOLUMES) BASED ON USING CONTRACTION DEVICES

1. Область техники, к которой относится изобретение
Способ высокоточного дифференциально-интегрирующего измерения разности масс (объемов) жидких и газообразных сред на основе сужающих устройств относится к области измерения и учета разности масс (объемов) жидких и газообразных сред, прошедших по двум трубопроводам за определенный (учетный) период времени при коммерческом и/или технологическом учете тепловой энергии, жидкого и газообразного топлива, природного газа, водяного пара, воды и других аналогичных сред, содержащих две точки измерения расхода массы (объема) сред (подающий и обратный трубопроводы, трубопроводы с отбором среды, трубопроводы подачи топлива к энергетическим установкам и т.п.) и построенных на основе сужающих устройств и датчиков перепада давления. Изобретение предназначено для обеспечения высокоточного учета разности масс (объемов) жидких и газообразных сред, отпуска и потребления тепловой энергии и теплоносителя, газа, пара, воды и других аналогичных сред, а также для контроля потерь жидких и газообразных сред в трубопроводах. Разность масс (объемов) сред, прошедших по двум трубопроводам за учетный период времени, в дальнейшем обозначается кратким термином «разность масс (объемов)».
2. Уровень техники
Аналогом данного изобретения является известный и широко применяемый в настоящее время способ измерения расхода и количества жидкостей и газов методом переменного перепада давления с использованием стандартных сужающих устройств в качестве первичных измерительных преобразователей, приведенный в государственном стандарте РФ (ГОСТ 8.586.1-2005 «Измерение расхода и количества жидкостей и газов методом переменного перепада давления. Принцип метода измерения и общие требования.») и в «Правилах учета тепловой энергии и энергоносителя» (Министерство топлива и энергетики РФ, Москва, 1995). Функциональная схема данного способа измерения, назовем его «классическим», для случая измерения разности масс теплоносителя в подающем и обратном трубопроводах в узлах коммерческого и технологического учета тепловой энергии и теплоносителя приведена на Фиг.1. Сужающее устройство 1 расположено на подающем трубопроводе 2. Перепад давления на сужающем устройстве 1 измеряют датчиком перепада давления 4. Сужающее устройство 9 расположено на обратном трубопроводе 10. Перепад давления на сужающем устройстве 9 измеряют датчиком перепада давления 7. Температуры теплоносителя в подающем 2 и обратном 10 трубопроводах измеряют датчиками температуры 5 и 6, являющимися согласованной парой. Давление теплоносителя в трубопроводах 2 и 10 измеряют датчиками давления 3 и 8. По измеренным перепадам давления на сужающих устройствах, температурам и давлениям теплоносителя в трубопроводах и предопределенным параметрам теплоносителя (плотность, вязкость, и т.п.), теплосчетчиком 11 рассчитывают разность масс (объемов), отпуск и потребление тепловой энергии и теплоносителя известными методами, приведенными в ГОСТ 8.586.5-2005 («Измерение расхода и количества жидкостей и газов методом переменного перепада давления. Методика проведения измерений»). Временные диаграммы проведения измерений приведены на Фиг.4, 5.
Признаком данного аналога по отношению к заявляемому изобретению является проведение измерений перепадов давлений на сужающих устройствах двух трубопроводов двумя независимыми датчиками перепада давления, каждый из которых постоянно подключен к своему сужающему устройству, и проведение измерений давлений в двух трубопроводах двумя независимыми датчиками давления, каждый из которых постоянно подключен к своему трубопроводу. При расчете разности масс (объемов) теплоносителя данный способ приводит к значительной относительной погрешности, основная часть которой обусловлена наличием независимых, систематических, нестабильных во времени, погрешностей датчиков перепада давления на сужающих устройствах и датчиков давления в трубопроводах.
Влияние систематических погрешностей датчиков измерения температур теплоносителя в трубопроводах на погрешность разностей масс (объемов) значительно меньше в силу того, что температуры в трубопроводах измеряют согласованной парой датчиков, градуировочные характеристики которых совпадают с очень высокой точностью (не хуже, чем 0,01%).
3. Раскрытие изобретения
Изобретение направлено на существенное уменьшение (в 40 и более раз) погрешности измерения разности масс (объемов) жидких и газообразных сред, прошедших по двум трубопроводам за определенный (учетный) период времени в узлах коммерческого и технологического учета тепловой энергии, жидкого и газообразного топлива, природного газа, водяного пара, воды и других аналогичных сред, содержащих две точки измерения расхода массы (объема) сред (подающий и обратный трубопроводы, трубопроводы с отбором среды, трубопроводы подачи топлива к энергетическим установкам и т.п.) и построенных на основе сужающих устройств и датчиков перепада давления. Погрешность измерения разности масс (объемов) в аналогах (см. Раздел 2) в основном обусловлена наличием систематических, нестабильных во времени, погрешностей измерений двух независимых датчиков перепада давления на сужающих устройствах, систематические погрешности которых взаимно не компенсируются. Предлагаемый способ высокоточного дифференциально-интегрирующего измерения существенно уменьшает относительную погрешность измерения разности масс (объемов) путем взаимной компенсации систематических погрешностей, обусловленных погрешностями двух датчиков перепада давления и двух датчиков давления, обеспечиваемой циклическим изменением схемы гидравлической (пневматической) связи датчиков перепада давления с сужающими устройствами и датчиков давления с трубопроводами при последующем интегрировании результатов измерений на протяжении всего учетного периода. Схема измерения температур по отношению к аналогу не изменяется.
уmin
и
уmin
Существенным признаком заявляемого изобретения является наличие в процессе измерений циклического изменения схемы гидравлической (пневматической) связи датчиков перепада давления с сужающими устройствами и датчиков давления с трубопроводами с последующим интегрированием результатов измерений на протяжении всего учетного периода таким образом, что на протяжении минимального учетного периода времени Т (минимальный временной период, за который определяется разность масс (объемов) сред, прошедших по двум трубопроводам), N/2 измерений перепада давления на каждом сужающем устройстве производится одним датчиком перепада давления и точно такое же количество измерений N/2 производится другим датчиком перепада давления, N/2 измерений давления в каждом трубопроводе производится одним датчиком давления и точно такое же количество измерений N/2 производится другим датчиком давления, в результате чего при интегрировании расчетной разности масс (объемов) за время Т (интервал времени между двумя последовательными измерениями перепадов давлений, давлений и температур) на периоде Т происходит взаимная компенсация систематических погрешностей измерения разности масс (объемов), обусловленных погрешностями двух датчиков давления и двух датчиков перепада давления. Технический результат заявляемого изобретения выражается в уменьшении относительной погрешности измерения разности масс (объемов) в 40 и более раз, аддитивная составляющая которой асимптотически стремится к нулю при увеличении временного учетного периода (см. оценка (3) и (6) в Приложении-1, «Сравнение оценок относительной погрешности»), по сравнению с аналогичным способом, применяемым в настоящее время (см. Раздел 2).
Функциональная схема высокоточного дифференциально-интегрирующего способа измерения разности масс (объемов) в двух возможных состояниях приведена на Фиг.2, 3. Последовательность действий высокоточного способа дифференциально-интегрирующего измерения разности масс (объемов) на некотором цикле измерения, начиная с состояния, приведенном на Фиг.2, следующая. Камеру высокого давления датчика перепада давления 4 подключают к точке отбора высокого давления сужающего устройства 1 на первом трубопроводе 2 через открытый управляемый клапан 13. Камеру низкого давления датчика перепада давления 4 подключают к точке отбора низкого давления сужающего устройства 1 на первом трубопроводе 2 через открытый управляемый клапан 14. Камеру высокого давления датчика перепада давления 7 подключают к точке отбора высокого давления сужающего устройства 9 на втором трубопроводе 10 через открытый управляемый клапан 18. Камеру низкого давления датчика перепада давления 7 подключают к точке отбора низкого давления сужающего устройства 9 на втором трубопроводе 10 через открытый управляемый клапан 17. Таким образом, датчиком перепада давления 4 измеряют перепад давления на сужающем устройстве 1, а датчиком перепада давления 7 измеряют перепад давления на сужающем устройстве 9.
Датчик давления 3 подключают к точке отбора высокого давления сужающего устройства 1 на первом трубопроводе 2 через открытый управляемый клапан 20. Датчик давления 8 подключают к точке отбора высокого давления сужающего устройства 9 на втором трубопроводе 10 через открытый управляемый клапан 22.
и
и
и
Счетчиком 11 производят считывание перепадов давления на сужающих устройствах 1 и 9, поступающих с датчиков перепада давления 4 и 7 соответственно, температур сред в первом 2 и втором 10 трубопроводах, поступающих с датчиков температуры 5 и 6 соответственно, и давлений сред в первом 2 и втором 10 трубопроводах, поступающих с датчиков давления 3 и 8 соответственно. По измеренным перепадам давлений, давлениям и температурам и предопределенным параметрам сред (плотность, вязкость, и т.п.) счетчиком 11 производят расчет разности масс (объемов) сред, прошедших через трубопроводы за время Т (Т - интервал опроса, то есть интервал времени с момента предыдущего считывания параметров и расчета разности масс (объемов)), который суммируют с разностью масс (объемов), накопленной на предыдущем шаге. Считывание измерений и расчет разности масс (объемов) повторяют I раз с периодом Т. Параметр I может принимать значения любого целого положительного числа.
Далее счетчиком 11 формируют команды на закрытие управляемых клапанов 13, 14, 17, 18, 20, 22 и открытие управляемых клапанов 12, 15, 16, 19, 21, 23. В этом состоянии, приведенном на Фиг.3, камеру высокого давления датчика перепада давления 4 подключают к точке отбора высокого давления сужающего устройства 9 на втором трубопроводе 10 через открытый управляемый клапан 16. Камеру низкого давления датчика перепада давления 4 подключают к точке отбора низкого давления сужающего устройства 9 на втором трубопроводе 10 через открытый управляемый клапан 19. Камеру высокого давления датчика перепада давления 7 подключают к точке отбора высокого давления сужающего устройства 1 на первом трубопроводе 2 через открытый управляемый клапан 15. Камеру низкого давления датчика перепада давления 7 подключают к точке отбора низкого давления сужающего устройства 1 на первом трубопроводе 2 через открытый управляемый клапан 12. Таким образом, датчиком перепада давления 4 измеряют перепад давления на сужающем устройстве 9, а датчиком перепада давления 7 измеряют перепад давления на сужающем устройстве 1.
Датчик давления 3 подключают к точке отбора высокого давления сужающего устройства 9 на втором трубопроводе 10 через открытый управляемый клапан 21. Датчик давления 8 подключают к точке отбора высокого давления сужающего устройства 1 на первом трубопроводе 2 через открытый управляемый клапан 23.
и
и
уmin
Счетчиком 11 производят считывание перепадов давления на сужающих устройствах 1 и 9, поступающих с датчиков перепада давления 7 и 4 соответственно, температур сред в первом 2 и втором 10 трубопроводах, поступающих с датчиков температуры 5 и 6 соответственно, и давлений сред в первом 2 и втором 10 трубопроводах, поступающих с датчиков давления 8 и 3 соответственно. По измеренным перепадам давлений, давлениям и температурам и предопределенным параметрам сред (плотность, вязкость, и т.п.) счетчиком 11 производят расчет разности масс (объемов) сред, прошедших через трубопроводы за время Т, который суммируют с разностью масс (объемов), накопленной на предыдущем шаге. Считывание измерений и расчет разности масс (объемов) повторяют I раз с периодом Т. Далее счетчиком 11 формируют команды на открытие управляемых клапанов 13, 14, 17, 18, 20, 22 и закрытие управляемых клапанов 12, 15, 16, 19, 21, 23 и всю описанную процедуру измерения и расчета повторяют с самого начала J/2 раз за минимальный учетный период времени Т, где J - целое положительное четное число. Временные диаграммы проведения измерений перепадов давления на сужающих устройствах приведены на Фиг.6, 7. Временные диаграммы проведения измерений давления в трубопроводах аналогичны.
и
уmin
уmin
и
уmin
Параметры I и Т выбирают с учетом минимального учетного периода времени Т таким образом, чтобы строго выполнялось соотношение Т=Т×I×J, гарантирующее, что в пределах минимального учетного периода времени Т количества измерений, выполненных датчиком перепада давления 4 на сужающем устройстве 1, датчиком перепада давления 7 на сужающем устройстве 9, датчиком перепада давления 7 на сужающем устройстве 1, датчиком перепада давления 4 на сужающем устройстве 9, датчиком давления 3 в трубопроводе 2, датчиком давления 8 в трубопроводе 10, датчиком давления 3 в трубопроводе 10 и датчиком давления 8 в трубопроводе 2, строго равны между собой для обеспечения взаимной компенсации систематических погрешностей измерения разности масс (объемов), обусловленных погрешностями датчиков давления 3 и 8 и датчиков перепада давления 4 и 7.
4. Краткое описание чертежей
4.1 Фигура 1. Функциональная схема известного способа измерения разности масс (объемов) теплоносителя в открытых и закрытых системах теплоснабжения.
Сужающее устройство 1 расположено на подающем трубопроводе 2. Перепад давления на сужающем устройстве 1 измеряют датчиком перепада давления 4. Сужающее устройство 9 расположено на обратном трубопроводе 10. Перепад давления на сужающем устройстве 9 измеряют датчиком перепада давления 7. Температуры теплоносителя в подающем 2 и обратном 10 трубопроводах измеряют датчиками температуры 5 и 6, являющимися согласованной парой. Давление теплоносителя в трубопроводах 2 и 10 измеряют датчиками давления 3 и 8. По измеренным перепадам давления на сужающих устройствах, температурам и давлениям теплоносителя в трубопроводах и предопределенным параметрам теплоносителя (плотность, вязкость, и т.п.), счетчиком 11 рассчитывают разность масс (объемов), отпуск и потребление тепловой энергии и теплоносителя.
4.2 Фигура 2. Функциональная схема способа высокоточного дифференциально-интегрирующего измерения разности масс (объемов). Первое состояние: измерение перепада давления на сужающих устройствах 1 и 9 датчиками перепада давления 4 и 7 соответственно, измерение давления в трубопроводах 2 и 10 датчиками давления 3 и 8 соответственно.
и
Камера высокого давления датчика перепада давления 4 подключена к точке отбора высокого давления сужающего устройства 1 на первом трубопроводе 2 через открытый управляемый клапан 13. Камера низкого давления датчика перепада давления 4 подключена к точке отбора низкого давления сужающего устройства 1 на первом трубопроводе 2 через открытый управляемый клапан 14. Камера высокого давления датчика перепада давления 7 подключена к точке отбора высокого давления сужающего устройства 9 на втором трубопроводе 10 через открытый управляемый клапан 18. Камера низкого давления датчика перепада давления 7 подключена к точке отбора низкого давления сужающего устройства 9 на втором трубопроводе 10 через открытый управляемый клапан 17. Датчиком перепада давления 4 измеряют перепад давления на сужающем устройстве 1, а датчиком перепада давления 7 измеряют перепад давления на сужающем устройстве 9. Датчик давления 3 подключен к точке отбора высокого давления сужающего устройства 1 на первом трубопроводе 2 через открытый управляемый клапан 20. Датчик давления 8 подключен к точке отбора высокого давления сужающего устройства 9 на втором трубопроводе 10 через открытый управляемый клапан 22. Счетчик 11 производит считывание перепадов давления на сужающих устройствах 1 и 9, поступающих с датчиков перепада давления 4 и 7 соответственно, температур сред в первом 2 и втором 10 трубопроводах, поступающих с датчиков температуры 5 и 6 соответственно, и давлений сред в первом 2 и втором 10 трубопроводах, поступающих с датчиков давления 3 и 8 соответственно, и производит расчет разности масс (объемов) сред, прошедших через трубопроводы за время Т×I.
4.3 Фигура 3. Функциональная схема способа высокоточного дифференциально-интегрирующего измерения разности масс (объемов). Второе состояние: измерение перепада давления на сужающих устройствах 1 и 9 датчиками перепада давления 7 и 4 соответственно, измерение давления в трубопроводах 2 и 10 датчиками давления 8 и 3 соответственно.
Камера высокого давления датчика перепада давления 4 подключена к точке отбора высокого давления сужающего устройства 9 на втором трубопроводе 10 через открытый управляемый клапан 16. Камера низкого давления датчика перепада давления 4 подключена к точке отбора низкого давления сужающего устройства 9 на втором трубопроводе 10 через открытый управляемый клапан 19. Камера высокого давления датчика перепада давления 7 подключена к точке отбора высокого давления сужающего устройства 1 на первом трубопроводе 2 через открытый управляемый клапан 15. Камера низкого давления датчика перепада давления 7 подключена к точке отбора низкого давления сужающего устройства 1 на первом трубопроводе 2 через открытый управляемый клапан 12. Датчиком перепада давления 4 измеряют перепад давления на сужающем устройстве 9, а датчиком перепада давления 7 измеряют перепад давления на сужающем устройстве 1. Датчик давления 3 подключен к точке отбора высокого давления сужающего устройства 9 на втором трубопроводе 10 через открытый управляемый клапан 21. Датчик давления 8 подключен к точке отбора высокого давления сужающего устройства 1 на первом трубопроводе 2 через открытый управляемый клапан 23.
и
Счетчик 11 производит считывание перепадов давления на сужающих устройствах 1 и 9, поступающих с датчиков перепада давления 7 и 4 соответственно, температур сред в первом 2 и втором 10 трубопроводах, поступающих с датчиков температуры 5 и 6 соответственно, и давлений сред в первом 2 и втором 10 трубопроводах, поступающих с датчиков давления 8 и 3 соответственно, и производит расчет разности масс (объемов) сред, прошедших через трубопроводы за время Т×I.
4.4 Фигура 4. Временная диаграмма проведения измерений на сужающем устройстве 1 датчиком 4 классическим способом.
уmin
и
На фиг.4 изображена временная диаграмма проведения измерений на сужающем устройстве 1 датчиком перепада давления 4. За время Т проводятся N измерений перепада давления  с периодом опроса Т.
4.5 Фигура 5. Временная диаграмма проведения измерений на сужающем устройстве 9 датчиком 7 классическим способом.
уmin
и
На фиг.5 изображена временная диаграмма проведения измерений на сужающем устройстве 9 датчиком перепада давления 7. За время Т проводятся N измерений перепада давления  с периодом опроса Т.
4.6 Фигура 6. Временная диаграмма проведения измерений на сужающем устройстве 1 способом высокоточного дифференциально-интегрирующего измерения разности масс (объемов).
уmin
и
На фиг.6 изображена временная диаграмма проведения измерений на сужающем устройстве 1. При нечетном значении индекса j измерение перепада давления на сужающем устройстве 1 проводится датчиком перепада давления 4, при четном значении j измерение перепада давления на сужающем устройстве 1 проводится датчиком перепада давления 7. После проведения I измерений в каждом цикле j производится изменение гидравлической (пневматической) связи датчиков перепада давления с сужающими устройствами. За время Т проводятся N/2 измерений датчиком перепада давления 4 и N/2 измерений датчиком перепада давления 7, где N=I×J, с периодом опроса Т.
4.7 Фигура 7. Временная диаграмма проведения измерений на сужающем устройстве 9 способом высокоточного дифференциально-интегрирующего измерения разности масс (объемов).
уmin
и
На фиг.7 изображена временная диаграмма проведения измерений на сужающем устройстве 9. При нечетном значении индекса j измерение перепада давления на сужающем устройстве 9 проводится датчиком перепада давления 7, при четном значении j измерение перепада давления на сужающем устройстве 9 проводится датчиком перепада давления 4. После проведения I измерений в каждом цикле j, производится изменение гидравлической (пневматической) связи датчиков перепада давления с сужающими устройствами. За время Т проводятся N/2 измерений датчиком перепада давления 7 и N/2 измерений датчиком перепада давления 4, где N=I×J, с периодом опроса Т.
5. Осуществление изобретения
Изобретение может быть осуществлено с использованием оборудования, промышленно выпускаемого в настоящее время многими производителями. В качестве датчиков давления и датчиков перепада давления (поз.3, 4, 7, 8 на Фиг.2, 3) предпочтительно использовать датчики компании "Yokogawa Electric" (Япония) серий EJA и EJX, отличающиеся высокой точностью (±0,04%), высокой долговременной стабильностью (±0,1% за 10 лет) и высокой стойкостью к перегрузкам. При использовании цифровых датчиков серии EJX с цифровым протоколом передачи измерительных данных, одновременно измеряющих и перепад давления и давление, отдельные датчики давления не требуются, что позволит сократить количество управляемых клапанов. В качестве управляемых клапанов, устанавливаемых на импульсных трубках, могут быть использованы соленоидные клапаны Genebre S.А., арт.4630 (Германия) или трехходовые шаровые клапаны с электроприводом серий 40,60 производства компании Swagelok (США), применение которых позволит сократить количество управляемых клапанов в два раза. В качестве счетчика (поз.11 на Фиг.2, 3) можно использовать малогабаритный контроллер STARDOM FCJ производства "Yokogawa Electric" (Япония) с реализацией алгоритма способа высокоточного дифференциально-интегрирующего измерения на уровне программного обеспечения, что, кроме реализации требований ГОСТ 8.586.1…5-2005 «Измерение расхода и количества жидкостей и газов методом переменного перепада давления» к методам расчета массовых (объемных) расходов и масс (объемов), должно обеспечивать необходимые временные соотношения, управление и синхронизацию работы клапанов и проведение измерений с целью минимизации погрешностей, которые могут быть вызваны гидравлическими переходными процессами. Кроме того, после проведения необходимой доработки программного и аппаратного обеспечения с учетом требований заявляемого изобретения можно использовать практически все промышленно выпускаемые счетчики, например серии СПТ-941/943/961 компании НПП «Логика» (Санкт-Петербург).