Способ измерения разности расходов жидких и газообразных сред и устройство для его реализации (варианты)
METHOD OF MEASURING DIFFERENCE LIQUID AND GASEOUS MEDIA FLOW RATE AND DEVICE FOR IMPLEMENTATION THEREOF (OPTIONS)

Изобретение относится к области измерения и учета разности масс (объемов) жидких и газообразных сред, прошедших по двум трубопроводам за определенный (учетный) период времени, содержащих две точки измерения расхода массы (объема) сред.
Известно техническое решение «Способ высокоточного дифференциально-интегрирующего измерения разности масс (объемов) жидких и газообразных сред на основе сужающих устройств» патент РФ №2411457, МПК G01F 1/88, G01F 15/06,  опубл. 10.02.2011 г. Изобретение позволяет существенно уменьшить относительную погрешность измерения разности масс (объемов) сред, прошедших по двум трубопроводам за определенный период времени, за счет того, что контроллер управляет клапанами на импульсных трубках преобразователей перепада давления, на двух сужающих устройствах в подающем трубопроводе и обратном трубопроводе, при этом на протяжении минимального учетного периода времени Туmin (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 преобразователем перепада давления и точно такое же количество измерений N/2 производится другим преобразователем перепада давления, N/2 измерений давления в каждом трубопроводе производится одним преобразователем давления и точно такое же количество измерений N/2 производится другим преобразователем давления, в результате чего при интегрировании расчетной разности масс (объемов) за время Ти (интервал времени между двумя последовательными измерениями перепадов давлений, давлений и температур) на периоде Туmin происходит взаимная компенсация систематических погрешностей измерения разности масс (объемов), обусловленных погрешностями двух преобразователей давления и двух преобразователей перепада давления.
Недостатком данного способа, является неполная компенсация погрешностей расхода на подающем и обратном трубопроводах, вследствие чего остается часть неcкомпенсированной погрешности разности масс (массы подпиточной воды) на тепломагистрали или тепловом вводе.
Известно техническое решение «Устройство высокоточного дифференциально-интегрирующего измерения разности масс (объемов) жидких и газообразных сред на основе сужающих устройств (варианты)»,  патент РФ №2411458, МПК G01F 1/88, G01F 15/06, опубл. 10.02.2011 г.  Устройство содержит преобразователи давления и преобразователи перепада давления, соединенные импульсными трубками соответственно с отверстиями отбора давления первого и второго трубопроводов и сужающих устройств в трубопроводах, а также преобразователи температуры среды в трубопроводах, при чем на импульсных трубках расположены клапаны, управляемые контроллером.
Недостатком данного устройства является сложность конструкции, т.е. избыточность средств измерений и устройств (второй преобразователь перепада давления, два дополнительных клапана), и как следствие снижение, надежности устройства и точности измерения.
Технической задачей изобретения является создание способа и устройства высокоточного измерения разности расходов жидких и газообразных сред и устройства для его реализации.
Техническим результатом заявляемого способа является повышение точности учета тепловой энергии и подпиточной воды за счет компенсации погрешностей преобразователя перепада давления.
Технический результат достигается тем, что при измерении перепада давления на сужающих устройствах, установленных на подающем и обратном трубопроводах используют один преобразователь перепада давления, при этом согласованная пара преобразователей температуры и пара преобразователей давления одновременно измеряют температуру и давление теплоносителя в подающем и обратном трубопроводах тепломагистрали, а перепад давлений на сужающих устройствах, установленных в подающем и обратном трубопроводах, измеряют поочередно преобразователем перепада давления, частоту перестановки которого с подающего трубопровода на обратный устанавливают в вычислителе, а перестановку преобразователя перепада давления производят автоматически при помощи управляющих клапанов.
Техническим результатом заявляемого устройства является повышение точности измерения разности масс при выполнении измерений одним преобразователем перепада давления, а также повышение надежности, за счет снижения количества средств измерений и устройств.
Технический результат достигается тем, что устройство, согласно первому варианту, содержит сужающие устройства, расположенные соответственно на подающем и обратном трубопроводах, преобразователь перепада давления, соединенные импульсными трубками с отверстиями отбора давления соответствующих сужающих устройств, преобразователей давления, соединенные импульсными трубками с отверстиями отбора давления соответствующих подающего и обратного трубопроводов, преобразователей температуры среды в подающем и обратном трубопроводах, и дополнительно введен вычислитель, предназначенный для вычисления расхода теплоносителя и подпиточной воды, учета тепловой энергии и управления перестановкой преобразователем перепада давления через управляющие клапаны, установленные на подающем и обратном трубопроводах.
Технический результат достигается тем, что устройство, согласно второму варианту, содержит сужающие устройства, расположенные соответственно на подающем и обратном трубопроводах, преобразователь перепада давления, соединенный импульсными трубками с отверстиями отбора давления соответствующих сужающих устройств, преобразователей давления, соединенные импульсными трубками с отверстиями отбора давления соответствующих подающего и обратного трубопроводов, преобразователей температуры среды в подающем и обратном трубопроводах, вычислитель, предназначенный для вычисления расхода теплоносителя и подпиточной воды, учета тепловой энергии и управления перестановкой преобразователя перепада давления через управляющие клапаны, установленные на подающем и обратном трубопроводах, контроллер,  входы которого соединены с управляемыми клапанами и преобразователем перепада давления, а выходы контроллера подключены к вычислителю, к которому также подключены преобразователи измерения температур и преобразователи измерения давления.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 приведена структурная схема устройства измерения разности масс (объемов) жидких и газообразных сред, на фиг.2 и фиг.3 приведены структурные схемы устройства измерения разности масс (объемов) в открытых и закрытых системах теплоснабжения, вариант 1, на фиг. 4 - структурная схема устройства измерения разности масс (объемов) в открытых и закрытых системах теплоснабжения, вариант 2.
Устройство, согласно варианту 1, содержит сужающее устройство 1, расположенное на подающем трубопроводе 2, преобразователь перепада давления 4, сужающее устройство 9 расположенное на обратном трубопроводе 10, преобразователи температуры 5 и 6, являющиеся согласованной парой, преобразователи давления 3 и 8, вычислитель 11, управляющие клапаны 7 и 12 установленные на обратном 10 и подающем 2 трубопроводах соответственно.
Кроме того, после проведения необходимой доработки программного и аппаратного обеспечения с учетом требований заявляемого изобретения можно использовать в качестве вычислителя практически все промышленно выпускаемые вычислители утвержденного типа и соответствующие требованиям ГОСТ 8.586.1…5-2005 «Измерение расхода и количества жидкостей и газов с помощью стандартных сужающих устройств», в частности ВКТ-5.
Устройство, согласно варианту 2, содержит сужающее устройство 1, расположенное на подающем трубопроводе 2, преобразователь перепада давления 4, сужающее устройство 9 расположенное на обратном трубопроводе 10, преобразователи температуры 5 и 6, являющиеся согласованной парой, преобразователи давления 3 и 8, вычислитель 11, управляющие клапаны 7 и 12 установленные на обратном 10 и подающем 2 трубопроводах соответственно контроллер 13, выходы которого подключены к вычислителю 11, к которому также подключены преобразователи измерения температур 5 и 6 и преобразователи измерения давления 3и 8.
Устройство, по первому варианту, работает следующим образом. Преобразователи температуры 5 и 6, являющиеся согласованной парой и преобразователи давления 3 и 8 одновременно измеряют температуру и давление теплоносителя в подающем 2 и обратном 10 трубопроводах тепломагистрали. При этом перепад давлений на сужающих устройствах 1 и 9, установленных в подающем 2 и обратном 10 трубопроводах, измеряется поочередно одним преобразователем перепада давления 4. На импульсных трубках расположены клапаны 7 и 12, управляемые вычислителем 11 для циклического изменения схемы гидравлической (пневматической) связи преобразователей давления с трубопроводами и схемы гидравлической (пневматической) связи преобразователя перепада давления с сужающими устройствами так, чтобы в пределах учетного периода времени количество измерений, выполненных преобразователем перепада давлений на первом трубопроводе, было равно количеству измерений, выполненных этим же преобразователем перепада давлений на втором трубопроводе. Частота перестановки преобразователя перепада давления 4 с подающего трубопровода 2 на обратный 10 устанавливается пользователем в вычислителе 11 при этом перестановка преобразователя перепада давления 4 происходит автоматически при помощи управляющих клапанов 7 и 12. По измеренным перепадам давления на сужающих устройствах, температурам и давлениям теплоносителя в трубопроводах и предопределенным параметрам теплоносителя (плотность, вязкость и т.п.) вычислителем 11 рассчитывают массы (объемы) и разность масс (разность 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».
Устройство, по второму варианту, работает следующим образом. Функции управления клапанами 7 и 12 и считывания сигналов перепадов давления с преобразователя перепада давления 4 выполняются контроллером 13 с последующей передачей сигналов перепадов давления на сужающих устройствах 1 и 9 и сигнала о нештатной ситуации 14 (отказ одного из клапанов и т.п.) от контроллера 13 к вычислителю 11. Преобразователи измерения температур 5 и 6 и преобразователи измерения давления 3 и 8 в подключены непосредственно к вычислителю 11.
Таким образом, при использовании любого из вариантов заявляемого устройства в каждый момент времени имеем классический расходомер переменного перепада давления, но, благодаря применению одного преобразователя перепада давления вместо двух, повышается точность измерений разности масс (массы подпиточной воды) на тепломагистрали или тепловом вводе потребителя в десятки и сотни раз, в зависимости от соотношения расходов в трубопроводах.
Изобретения направлено на существенное уменьшение погрешности измерения разности масс (объемов) жидких и газообразных сред, прошедших по двум трубопроводам за определенный 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 преобразователя перепада давления. Погрешность измерения разности масс (объемов) в аналогах, а признаком данного аналога по отношению к заявляемому изобретению является проведение измерений перепадов давлений на сужающих устройствах двух трубопроводов двумя преобразователями перепада давления, каждый из которых поочередно подключен к одному из двух сужающих устройств, и измерений давлений в двух трубопроводах двумя независимыми преобразователями давления, каждый из которых постоянно подключен к своему трубопроводу. При расчете разности масс (объемов) теплоносителя данное устройство имеет не скомпенсированную относительную погрешность, которая обусловлена наличием систематических, нестабильных во времени, погрешностей преобразователей перепада давления на сужающих устройствах и преобразователей давления в трубопроводах. Влияние систематических погрешностей преобразователей измерения температур теплоносителя в трубопроводах на погрешность разностей масс (объемов) значительно меньше в силу того, что температуры в трубопроводах измеряют согласованной парой преобразователей, градуировочные характеристики которых совпадают с очень высокой точностью (не хуже чем 0,01%), в основном обусловлена наличием не скомпенсированной погрешности измерений двух преобразователей перепада давления на сужающих устройствах.
Предлагаемое устройство существенно уменьшает относительную погрешность измерения разности масс (объемов) путем полной взаимной компенсации систематических погрешностей преобразователя перепада давления и преобразователей давления, обеспечиваемой проведением измерений перепада давления одним преобразователем перепада давления, а давления двумя преобразователями давления на каждом сужающем устройстве и трубопроводе соответственно, с разделением во времени, за счет наличия в процессе проведения измерений циклического изменения схемы гидравлической (пневматической) связи преобразователя перепада давления с сужающими устройствами и преобразователей давления с трубопроводами с помощью управляемых клапанов, расположенных на импульсных трубках, с последующим интегрированием результатов измерений разности масс (объемов) на протяжении всего учетного периода. Схема измерения температур по отношению к аналогу не изменяется.
Существенным признаком заявляемого изобретения является наличие в процессе измерений циклического изменения под управлением вычислителя с помощью управляемых клапанов, расположенных на импульсных трубках, схемы гидравлической (пневматической) связи преобразователя перепада давления с сужающими устройствами и преобразователей давления с трубопроводами с последующим интегрированием результатов измерений разности масс (объемов) на протяжении всего учетного периода таким образом, что на протяжении минимального учетного периода времени Туmin (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 преобразователем перепада давления в результате чего, при интегрировании расчетной разности масс (объемов) за время Ти (интервал времени между двумя последовательными измерениями перепадов давлений, давлений и температур) на периоде Тymin происходит практически полная взаимная компенсация систематических погрешностей измерения двух преобразователей давления и преобразователя перепада давления. Технический результат заявляемого изобретения выражается в уменьшении относительной погрешности измерения разности масс (объемов).
Структурная схема устройства измерения разности масс (объемов) в двух возможных состояниях приведена на фиг. 2 и 3. Последовательность действий устройства измерения разности масс (объемов) на некотором цикле измерения следующая (см. фиг. 2).
Камеру высокого давления преобразователя перепада давления 4 подключают к точке отбора высокого давления сужающего устройства 1 на подающем трубопроводе 2 через открытый управляемый клапан 12. Камеру низкого давления преобразователя перепада давления 4 подключают к точке отбора низкого давления сужающего устройства 1 на подающем трубопроводе 2 через открытый управляемый клапан 7. Таким образом, преобразователем перепада давления 4 измеряют перепад давления на сужающем устройстве 1, а на основе предыдущих циклов измерений преобразователем перепада давления 4 на обратном трубопроводе 10 вычислитель 11 учитывает среднее значение перепада давления на сужающем устройстве 9 обратного трубопровода 10.
Вычислителем 11 производят считывание сигналов перепадов давления на сужающих устройствах 1 и 9, поступающих с преобразователя перепада давления 4 температур сред в подающем 2 и обратном 10 трубопроводах, поступающих с преобразователей температуры 5 и 6 соответственно и давлений сред в подающем 2 и обратном 10 трубопроводах, поступающих с преобразователей давления 3 и 8 соответственно. По измеренным перепадам давлений, давлениям, и температурам, и предопределенным параметрам сред (плотность, вязкость, и т.п.) вычислителем 11 производят расчет масс и разности масс (объемов) сред, прошедших через трубопроводы за время Ти (Ти - 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 Ти. Параметр I может принимать значения любого целого положительного числа.
Далее вычислителем 11 формируют команду при помощи управляемых клапанов 7 и 12 на отключение преобразователя перепада давлений 4 от подающего трубопровода 2 и подключение преобразователя перепада давлений 4 к обратному трубопроводу 10 (см. Фиг. 3).
В этом состоянии камеру высокого давления преобразователя перепада давления 4 подключают к точке отбора высокого давления сужающего устройства 9 на обратном трубопроводе 10 через открытый управляемый клапан 12. Камеру низкого давления преобразователя перепада давления 4 подключают к точке отбора низкого давления сужающего устройства 9 на обратном трубопроводе 10 через открытый управляемый клапан 7.
Таким образом, преобразователем перепада давления 4 измеряют перепад давления на сужающем устройстве 9, а на основе предыдущих циклов измерений преобразователем перепада давления 4 на подающем трубопроводе 2 вычислитель 11 учитывает среднее значение перепада давления на сужающем устройстве 1 подающего трубопровода 10.
Вычислителем 11 производят считывание сигналов перепадов давления на сужающих устройствах 1 и 9, поступающих с преобразователя перепада давления 4 соответственно температур сред в подающем 2 и обратном 10 трубопроводах, поступающих с преобразователей температуры 5 и 6 соответственно, и давлений сред в подающем 2 и обратном 10 трубопроводах, поступающих с преобразователей давления 8 и 3 соответственно. По измеренным перепадам давлений, давлениям, и температурам, вычислителем 11 производят расчет масс и разности масс (объемов) сред, прошедших через трубопроводы за время Ти, который суммируют с разностью масс (объемов), накопленной на предыдущем шаге. Считывание измерений и расчет разности масс (объемов) повторяют I раз с периодом Ти. Далее вычислителем 11 формируют команды на открытие управляемого клапана 12 и закрытие управляемого клапана 7 и всю описанную процедуру измерения и расчета повторяют с самого начала J/2 раз за минимальный учетный период времени Туmin, где J - целое положительное четное число.
Параметры I и Ти выбирают с учетом минимального учетного периода времени Туmin таким образом, чтобы строго выполнялось соотношение Туmin=ТиЧIЧJ, гарантирующее, что в пределах минимального учетного периода времени Туmin количества измерений, выполненных преобразователем перепада давления 4 на сужающем устройстве 1 и 9, преобразователем давления 3 в трубопроводе 2, преобразователем давления 8 в трубопроводе 10, строго равны между собой для обеспечения полной взаимной компенсации систематических погрешностей преобразователей давления 3 и 8 и преобразователя перепада давления 4.
Вычислитель 11 выполняет управление клапанами 7 и 12 считывание сигналов перепадов давления, давления и температур, а также выполняет расчет разности масс (объемов), расходов и количеств сред и тепловой энергии согласно ГОСТ 8.586.5-2005 («Измерение расхода и количества жидкостей и газов методом переменного перепада давления. Методика проведения измерений»).