СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА ГАЗА
GAS FLOW MEASUREMENT METHOD

Предлагаемый способ измерения расхода газа можно использовать при конструировании устройств измерения количества газа в сетях ЖКХ, а также в коммерческих трубопроводах при подаче энергоресурсов.
Известны способы измерения расхода газа по частоте появления вихрей срыва - дорожка Кармана - за плохо обтекаемым телом, расположенным в измеряемом потоке газа (Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества веществ: Справочник: - Изд. 5-е, пер. и доп.. - СПб.: Машиностроение, 2002). При этом частота появления вихрей считается пропорциональной скорости течения при соблюдении некоторых условий эксплуатации.
Недостатком такого способа являются искажения данных измерения от внешних воздействий (колебания и вибрация трубопровода), чувствительность к месту расположения по сети подачи газа и условиям отсутствия стабилизированного течения газа. Для уменьшения влияния этих факторов требуются различные успокоители, выравнивающие профиль скоростей течения.
Другой разновидностью использования вихревого движения - это не дорожка, а периодическое образование вихрей, отходящих обратно по потоку, при натекании потока газа на препятствие в достаточно узкой рабочей камере. Частота появления вихрей до препятствия, пропорциональная скорости газа, считается источником сигнала о расходе. Наиболее близким аналогом предлагаемого способа является струйный генератор по патенту RU №2150616 C1 (Шлюмберже), опубл. 10.06.2000, предназначенный для измерения потока газа.
Недостатки такого способа измерения состоят в том, что в устройстве, реализующем этот способ измерения, в рабочей камере колеблется (раскачивается) вся масса струи газа с полной амплитудой, для поддержания колебательного процесса которой требуется большая мощность, что ограничивает диапазон измерения в сторону малых расходов. Этому же способствует и недостаточный коэффициент усиления струйного элемента, что повышает начальный уровень минимального перепада давления для начала работой частоты, т.е. ухудшает чувствительность устройства по расходу.
Кроме того, отклонение потока в рабочей камере происходит под действием дополнительных вихрей, образованных в специальных углублениях, которые постепенно набирают энергию достаточной для отклонения потока газа и появления устойчивой частоты. Это отклонение не принудительное по перепаду на струе, а связано с набором мощности вихрей по сторонам струи-потока газа, истекающего из сопла, при отклонении его в разные стороны от центрального неустойчивого положения.
Поскольку для газовых счетчиков верхний предел потери давления жестко ограничен (200-250 Па), то для них начало измерения расхода при малых перепадах давления является важнейшим показателем.
Известны способы измерения расхода, использующие свойство притяжения струи газа к стенке (эффект Коанда), см. например, струйный расходомер по патенту SU №1081421 A1, опубл. 23.03.1984 (НИИ Теплоприбор). Недостатки указанного способа измерения расхода проявляются в устройствах в виде ограниченного диапазона измерения, значительной нелинейности характеристики «частота-расход» и чрезвычайно малой чувствительности к возникновению колебаний при малых перепадах давлений.
Известны способы измерения расхода, использующие непосредственное взаимодействие струйных течений на основе аналоговых элементов, из которых наиболее близким является способ, реализованный в устройстве по патенту US 4107990, опубл. 1978-08-22 (Рингуэл), принятому за прототип.
По этому способу измерения расхода газа выделяют элементарный измерительный объем газа из потока, проводят его вместе с потоком через измерительную схему струйного генератора, измеряют частоту колебаний давления элементарного объема в приемных каналах одного из любых струйных элементов и по частоте судят об объемном расходе газа.
Недостатками известного способа заключаются в больших по объему и длине внешних каналах обратной связи, которые приводят к значительному запаздыванию поворота струи питания, сформированной измеряемым потоком. Отсюда возникает малый рост частоты струйных колебаний при увеличении расхода (скорости потока), что снижает точность измерения, увеличивает нелинейность характеристики «частота - расход», уменьшает диапазон измерения.
Кроме того, когда направляют элементарный измерительный объем газа на конический разделитель, происходит плавное деление потока с устойчивой траекторией движения для прохода в приемные каналы. При повышении расхода (увеличения перепада давления) для изменения траектории движения требуется усиление и плавное наращивание мощности в управляющих и выходных каналах струйного генератора. При этом не используется естественное неравновесное положение элементарного измерительного объема газа в составе струи питания при входе в приемные каналы, приводящее к ступенчатому изменению выходного сигнала по давлению, к большей крутизне выходного сигнала.
При этом элементарный измерительный объем газа не разделяют на неравные части с вихревым движением его малой части вблизи разделителя, затруднено самовозбуждение устойчивых колебаний измерительного объема при малых перепадах давления, дополнительно не доворачивается большая часть разделенного измерительного объема под влиянием вихревого движения малой части разделенного измерительного объема.
Кроме того, недостаток использования аналоговых элементов в том, что при переходе струи из одного приемного канала в другой исключается малая петля гистерезиса при изменении знака угла отклонения траектории движения элементарного объема и поэтому не используется дополнительное усилительное воздействие на увеличение угла отклонения траектории движения измерительного объема в соответствующий приемный канал вихревым движением его малой части.
Применение аналоговых струйных элементов для построения струйного генератора позволяет освободиться от негативного свойства притяжения струи к стенке, служащего основной функцией переключения и определяющего выходную частоту дискретного элемента по патенту SU №1081421 A1, опубл. 23.03.1984. Другая функция удержания струи и переключения ее (именно, переключения) в устойчивое состояние (положение) заключается в использовании указанного свойства при взаимодействии с разделителем как внутренняя обратная связь. Однако использование внутренней обратной связи по типу дискретного элемента, возникающей, если в струйном аналоговом элементе установить отражатель, положительно влияет на понижение начального расхода и частоты струйных колебаний и позволяет понизить уровень перепада давления измеряемого потока. В этом случае устойчивые колебания струйного потока возникают на более низком уровне перепада давления и с меньшим начальным расходом (меньшими скоростями).
Техническим результатом предложенного способа является расширение диапазона измерения расхода струйным генератором за счет снижения начального уровня измерения расхода, повышение чувствительности к возникновению колебаний дополнительными аэродинамическими приемами, например, применением отражателя между приемными каналами, с помощью которого разделяют элементарный объем на неравные части с вихревым движением его малой части вблизи отражателя, инициируют запуск самовозбуждения устойчивых колебаний измерительного объема при малых перепадах давления, доворачивают большую часть разделенного измерительного объема под влиянием вихревого движения, увеличивают крутизну выходного сигнала давления и получают при этом малую петлю гистерезиса при изменении знака угла отклонения траектории движения элементарного объема.
Технический результат достигается тем, что в предложенном способе измерения расхода газа выделяют элементарный измерительный объем газа из струи питания, добавляют (суммируют) часть объема потока управления, проводят его через камеру первого струйного элемента, направляют к одному из приемных каналов и передают следующему по цепи второму струйному элементу в канал управления, и управляют положением струи питания этого элемента, добавляя элементарный объем газа начального первого элемента к элементарному объему газа другого второго элемента, проводят его через камеру другого второго струйного элемента, направляют к одному из приемных каналов и передают следующему третьему по цепи крупному элементу в канал управления, и управляют положением струи питания этого третьего элемента, добавляя элементарный объем газа другого второго элемента к элементарному объему газа третьего элемента, проводят его через камеру третьего струйного элемента, направляют к одному из приемных каналов и передают следующему по цепи первому струйному элементу в канал управления, по числу передач элементарного объема в приемные каналы одного из трех струйных элементов измеряют частоту, умножают ее на величину наполнения и судят о расходе газа, по изобретению выбирают для измерения аналоговые струйные элементы, организуют для элементарного объема на пути его следования через камеры струйных элементов разделители у всех струйных элементов между приемными каналами, направляют элементарный измерительный объем газа на разделитель, делят на неравные части по объему, инициируют вихревое движения малого объема газа при взаимодействии с разделителем, доворачивают большую часть объема под влиянием вихревого движения, увеличивают угол отклонения траектории движения измерительного объема в требуемый приемный канал и крутизну сигнала давления, передают его в канал управления последующего струйного элемента и далее по замкнутой цепи передачи элементарного объема.
Сущность способа измерения расхода газа поясняется фиг.1 и фиг.2.
На фиг.1 представлена схема счетчика-расходомера газа и схема вихревого движения вблизи разделителя. Жирной линией обозначено прохождение сигнала по элементам струйного генератора - до перехода струй из одного положения в другое.
На фиг.2 представлена эквивалентная схема измерения расхода в гидравлических символах (сопротивлениях, связанных каналами).
На фиг.1 и 2 обозначено: 1, 2, 3 - сопла питания струйных элементов; 11, 21, 31 - струйные аналоговые элементы, последовательно включенные по схеме с положительной обратной связью, в составе струйного генератора; 12, 19, 22, 28, 32, 38 - гидравлические сопротивления в каналах управления струйных элементов; 13, 23, 33 - камеры взаимодействия струйных элементов; 14, 18, 24, 29, 34, 39 - гидравлические сопротивления приемных каналов; 15, 25, 35 - разделители; 16, 26, 36 - вихревое движение малой части элементарного объема газа; 17, 27, 37 - отдельный канал связи между струйными элементами; 4 - пневмоэлектропреобразователь; 5 - нагрузка потребителя; 6 - линия слива, 7, 8, 9 - слив из камер струйных элементов соответственно 11, 21, 31; 10 - общий слив; позиции 20, 30 - отсутствуют.
В начале работы при подаче питания на струйные элементы найдется один (инициативный), в котором вихревое движение вблизи разделителя начнется раньше и отклонит элементарный объем в приемный канал, продвижение которого в канал управления следующего элемента приведет к колебательному процессу всей замкнутой цепи струйного генератора. Таким образом, процедура сближения измерительного объема и разделителя становится источником (запальником или инициатором) колебаний в схеме расходомера.
Начальное положение, например струи 1, определяется вращательным действием части потока 16 в отражателе 15, выполняющего роль отрицательной обратной связи, т.к. он направлен против возможного управляющего давления на струю, например в канале 19. При появлении давления управления в канале 19, отраженный поток усиливается, продолжая удерживать струю в положении, близко к исходному.
По мере роста управляющего давления в канале 19 струя питания 1 отклоняется к критическому среднему положению в разделителе 15. В этот момент вращение отраженного потока 16 меняется на противоположное и его действие превращается в положительную ОС, которая ускоряет процедуру переключения струи с выходного канала 14 на выходной канал 18 и далее в канал 28 управления элемента 21. Наличие первоначальной, небольшой по величине давления, отрицательной обратной связи порождает петлю гистерезиса при переключении в противоположную сторону. Струя питания 1 ступенчато переходит из одного положения в другое за счет внутренней обратной связи, меняющей знак с отрицательного на положительный. Одновременно происходит увеличение крутизны управляющего и выходного сигналов в каждом струйном элементе по сравнению с элементами, выполненными в чисто аналоговом варианте. Аналогично происходит последовательное переключение в двух других элементах.
Таким образом, в генераторе используются аналоговые струйные элементы с внутренней обратной связью. Это способствует повышению выходной частоты и точности измерения при одинаковом расходе с прототипом.
Для понимания этого процесса примем, что инициативным элементом является струйный элемент 11 на фиг.1. Условный показатель мощности потока газа обозначим - для струи питания |1| в точке А1, для потока газа в приемном канале - |0,5| в точке В11.
Способ измерения расхода газа, при котором в начале работы выделяют элементарный измерительный объем А1=|1| газа из струи питания 1 элемента 11 с условным весом |1|, добавляют (суммируют) в начале работы часть объема D32=|0| с условным весом |0| потока капала 12 управления, проводят его через камеру взаимодействия 13 струйного элемента 11, подводят к разделителю 15, делят на две неравновесные части, вызывают у малой части вихревое движение 16, которое по мере поступления потока через канал управления 12 увеличивает свою интенсивность движения и величину в пространстве, дополнительно доворачивая остальную часть измерительного объема в приемный канал 14. В канале 14 элементарный объем получает после усиления условный вес В11=|0,5|, и далее передают его по отдельному каналу 17 следующему по цени струйному элементу 21 в канал управления 22, и управляют положением струи питания 2, добавляя часть (примерно 10-15%) элементарного объема В11=|0,5| газа к элементарному объему А2=|1| газа струйного элемента 21, после усиления, проводят его через камеру 23 струйного элемента 21, подводят к разделителю 25, делят на две неравновесные части, вызывают у малой части вихревое движение 26 в другом направлении (см. на фиг.1 стрелку направления), чем у разделителя 15, которое по мере поступления потока через канал управления 22 совместно с потоком питания 2 увеличивает свою интенсивность движения и величину в пространстве, дополнительно доворачивая остальную часть измерительного объема в приемный канал 24, получают условный вес С22=|0,6| и передают по отдельному каналу 27 следующему третьему по цепи струйному элементу 31 в канал управления 32, и управляют положением струи питания 3 этого элемента, добавляя часть С22=|0,6| элементарного объема газа элемента 2 к элементарному объему А3=|1| газа третьего элемента, проводят его через камеру 33 третьего струйного элемента, направляют к приемному каналу 34, подводят к разделителю 35, делят на две неравновесные части, вызывают ее малой части вихревое движение 36 в другом направлении, чем у разделителя 25, по направлению совпадающем с движением у разделителя 15, которое по мере поступления потока через канал управления 32 увеличивает свою интенсивность движения и величину в пространстве, дополнительно доворачивая остальную часть измерительного объема в приемный канал 34, который после усиления получает условный вес D31=|0,7|, и передают следующему по цени, в данном случае первому струйному элементу в канал управления 19, по числу передач элементарного объема в приемные каналы любого струйного элемента, т.е. по частоте колебаний струи измеряют частоту и судят о расходе газа.
После некоторого числа циклов передачи измерительного объема в схеме условный показатель мощности |0,7| подходит к динамическому равновесию этой величины.
Аналогичный путь информационного сигнала, описанный выше, при переключении струйных элементов 11, 21, 31 можно проследить на фиг.2, на ней выделены информационные кольца. В этих кольцах, работающих попеременно при переключении струйных элементов, циркулирует газ в объемах 10-15%, который постепенно обновляется от источника измеряемого расхода. Из схемы на фиг.2 видно, что сопла питания струйных элементов 11, 21, 31 подключены по параллельной схеме и общее гидравлическое сопротивление всей схемы менее гидравлического сопротивления одного из сопел, имеющего минимальное значение. Такая схема включения струйных элементов снижает общее гидравлическое сопротивление и требуемый перепад давления для начала устойчивых колебаний струи.
Поскольку в разделителе используется при течении эффект завихрения малой части измерительного объема, то принудительное изменение направления вращения у разделителя приводит к малой по величине петле гистерезиса при изменении знака угла отклонения траектории движения элементарного объема и увеличению чувствительности, т.е. началу колебательных движений всего измерительного объема.
При наличии трех элементов предлагаемым способом колебательный процесс начинается с отклонения малой части измерительного объема вблизи разделителя, более чувствительного, за которым входит в колебательный процесс остальной измерительный объем.
Использование аналоговых струйных усилителей с установленными разделителями между приемными каналами позволяет получить устойчивые колебания на значительно меньших перепадах давления. При этом увеличивается угол отклонения траектории движения измерительного объема в требуемый приемный канал и увеличиваются крутизна сигнала давления на выходе струйного элемента, который передают его в канал управления последующего струйного элемента и далее по замкнутой цепи передачи.
Таким образом, расширяется диапазон измерения расхода, улучшается линейность характеристики «частота - расход газа», снижается погрешность измерения.