СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ МАССОВОГО РАСХОДА СРЕДЫ
METHOD TO MEASURE MASS FLOW RATE OF MEDIUM

Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться для измерения расхода различных сред, в частности при коммерческих расчетах.
Известны способы измерения массового расхода, например (П.П.Кремлевский. Расходомеры и счетчики количества вещества. СПб. Политехника. 2002. Книга 1 и 2), включающие измерение расхода по показаниям дифференциального манометра и плотности с помощью сужающих устройств.
Недостатками известных решений является большая погрешность измерения расхода, а также большие габариты устройства.
Известен способ измерения массового расхода (Многопараметрический массовый расходомер Multivariable модель 3095 MV. Проспект фирмы Fischer - Rosemount 00813-0100-4716 Rev DA 11/98), включающий измерение расхода потока при помощи измерителя перепада давления. Его недостатком является необходимость выдерживания определенного режима течения (числа Re), что ограничивает диапазон измерений, использование дополнительных приемов для компенсации погрешностей измерения расхода, например требование при монтаже определенных длин участков до и после устройства.
Кроме того, недостатком известного способа 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.
Аналогом является известный компенсационный способ (Расходомер PLU 103 А производства фирмы Pierburg Luftfahrtgerate Union GmbH. Bataverstr. 80/ Postfach 100 261 D-4040 Neuss West-Germany.tel. (02101)523-1, информационный листок).
Известный способ измерения расхода, 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; - 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, принятым за прототип, является способ измерения массового расхода газообразных и жидких сред (RU 2279640 С1, 10.07.2006).
По известному способу имеется два измерительных участка: первый - объемный расходомер с датчиком частоты вращения измерителя и второй - датчик перепада давления на сужающем устройстве.
мин
Недостатками известного способа в реализованном устройстве является взаимное расположение по потоку измерителя объемного расхода и далее сужающего устройства, что вносит дополнительную погрешность при измерении из-за возможного расширения газообразной среды после сужающего устройства, способствует увеличению ее объема и искажению показаний датчика перепада давления; требуются дополнительные участки трубопровода до и после сужающего устройства для получения достоверных результатов измерения перепада давления; сужающее устройство используется только для получения параметра плотности среды, поскольку общий расход среды измеряется объемным расходомером; дополнительное обрудование в виде сужающего устройства требует дополнительной тарировки межповерочного интервала, особенно в диапазоне до Q, вследствие возможных парафиновых отложений, наличие дополнительных вычислительных операций при определении массового расхода.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является упрощение способа измерения массового расхода при ограниченном приборном составе устройства измерения, т.е. сокращение измерительных и вычислительных операций, требующих одновременности для более достоверного измерения массового расхода среды, а также одновременное измерение двух параметров в одном приборном месте.
Технический результат достигается тем, что предлагается способ измерения массового расхода среды, включающий измерение объемного расхода по частоте вращения измерителя при нулевом перепаде давления и передачу данных вычислителю, отличающийся тем, что выработанную вычислителем величину крутящего момента привода измерителя делят на частоту вращения измерителя.
Технический результат достигается тем, что величина крутящего момента определяется током электропривода.
Технический результат достигается тем, что величина крутящего момента определяется давлением гидропневмопривода.
Предлагается способ измерения массового расхода, в котором объемный расход Q измеряется при нулевом перепаде давления, и для такого режима вычислителем поддерживается требуемый крутящий момент на приводе измерителя и далее вычислитель определяет массовый расход путем отношения этого момента на приводе к частоте вращения измерителя.
Для реализации способа организуют измерительный участок, на котором проводят измерения объемного расхода с использованием замкнутого контура регулирования по нулевому перепаду давления на измерительном участке (вращающемся измерителе) с помощью привода, выполненного в электромеханическом или пневмогидравлическом вариантах.
На фиг.1 представлена схема устройства, реализующего предлагаемый способ, где вращающийся измеритель 1 объемного расходомера приводится во вращение приводом 2, частота вращения которого измеряется датчиком 3. Среда Q поступает на вход измерительного участка 4 и проходит через вращающийся измеритель 1 на выход среды 5. Частота вращения n измерителя 1 поддерживается контуром регулирования при ΔР≈0, состоящим из датчика 6 перепада давления, вычислителя 7 и привода 2. Измерительный участок 4 состоит из измерителя 1 и датчика перепада 6.
Способ реализуется следующим образом.
об
об
При измерении датчиком 3 частоты n вращения вала, например от электропривода 2, которая пропорциональна объемному расходу Q, устанавливается перепад давления ΔР≈0 на измерителе 1, который компенсируется величиной момента М на валу измерителя 1 во всем диапазоне значений расхода Q или оборотов n. В этом состоянии равновесия ΔР≈0 в вычислителе 7 сформированы данные - по частоте n вращения привода 2 от датчика 3 и о значении соответствующего крутящего момента М.
Для сведения перепада давления к нулю ΔР≈0 надо приложить к измерителю 1 некоторый момент М, который определяется текущими потерями по давлению на измерителе 1.
<mrow><mi>М</mi><mo>=</mo><msub><mi>к</mi><mn>1</mn></msub><mi>Δ</mi><mi>Р</mi><mtext>                           (1)</mtext></mrow>
Момент М можно представить как
1
где k - коэффициент пропорциональности, учитывающий конструктивные (геометрические) параметры расходомера.
<mrow><mtext>ΔР</mtext><mo>=</mo><msub><mtext>к</mtext><mtext>2</mtext></msub><mtext>ρ</mtext><mtext> </mtext><msub><mtext>Q</mtext><mrow><mtext>об</mtext></mrow></msub><msup><mrow /><mtext>2</mtext></msup><mtext>     (2)</mtext></mrow>
Перепад давления на измерителе выражается как
,
об
2
<mrow><mtext>М</mtext><mo>=</mo><msub><mtext>к</mtext><mrow><mtext>1 </mtext></mrow></msub><mtext>к ρ</mtext><mtext> </mtext><msub><mtext>Q</mtext><mrow><mtext>об</mtext></mrow></msub><msup><mrow /><mtext>2</mtext></msup><mtext>                                                                                                          (3)</mtext></mrow>
где ρ - плотность измеряемой среды; Q - объемный расход; к - коэффициент пропорциональности. Подставим (2) в (1), получим
об
об
3
3
1
2
об
3
мac
об
мас
4
<mrow><msub><mtext>к</mtext><mtext>4</mtext></msub><mo>=</mo><mn>1</mn><mo>/</mo><msub><mi>к</mi><mn>1</mn></msub><msub><mtext>к</mtext><mtext>2</mtext></msub><msub><mtext>к</mtext><mtext>3</mtext></msub><mtext>.                                                                                                          (5)</mtext></mrow>
Для объемных расходомеров Q можно выразить через скорость вращения измерителя n Q=к n (4), где к - коэффициент пропорциональности, учитывающий размерность. Подставим (4) в (3) имеем М=к к ρ Q к n, откуда, учитывая Q=ρ Q, получим Q=к М/n, где
В случае применения электропривода имеем величину тока I, пропорциональную моменту М измерителя, если привод пневмогидравлический - величину давления Р.
4
мас
Таким образом, величина момента М (или тока I) привода 2, разделенная на частоту вращения n измерителя 1, с учетом постоянного размерного коэффициента k является массовым расходом среды Q на измерительном участке 4.
мac
об
Вычислитель 7 указывает на выходе одновременно массовый Q и объемный Q расходы среды.
Измерение массового расхода предлагаемым способом имеет 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 измерительный участок при измерении объемного и массового расхода,
- сведение к минимуму влияния плотности и вязкости среды,
- фактически диапазон измерения зависит от технических возможностей измерителя 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,
- 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,
- упрощение способа измерения массового расхода при ограниченном приборном составе устройства измерения, т.е. сокращение измерительных и вычислительных операций, требующих одновременности для более достоверного измерения массового расхода среды,
- одновременное измерение двух параметров в одном приборном месте для вычисления третьего - массового расхода.