Система измерения расхода газа
GAS FLOW MEASUREMENT SYSTEM

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерений расхода и количества газообразных сред.
Известны системы измерения расхода в линиях подачи текучей среды (Кремлевский П.П., «Расходомеры и счетчики количества веществ», справочник, книга I, II, С-П, «Политехника», 2002).
Известны способы и системы применения критических сопел при измерении расхода газа (А.П. Герасимов, В.П. Иванов, В.М. Красавин, В.М. Лахов, С.В. Раинчик, О.К. Семенова «Область применения сопел Лаваля в расходоизмерительной технике» // Измерительная техника, 2005 No 4. - С. 48-52).
Известна система измерения расхода газовой среды (патент №2544258 «Клапан и система измерения расхода газообразной среды»), содержащая линию подачи газа, критическое сопло, клапан, измерительную камеру, имеющую фиксированный объем, и регулятор давления. Критическое сопло, клапан, совместно с измерительной камерой, являются измерительным преобразователем расхода.
Система работает следующим образом. В исходном состоянии клапан закрыт. По мере расхода газа потребителем снижается давление в измерительной камере. Когда перепад давления на клапане достигает порога открытия, клапан импульсно открывается и поток газа через него, стабилизированный критическим соплом, восполняет в измерительной камере ушедший объем газа. При достижении на клапане перепада давления, соответствующего порогу закрытия, клапан скачком закрывается, после чего цикл повторяется.
Недостаток данной системы заключается в ухудшении точности измерения расхода при увеличении верхнего предела измерения расхода, вызванной динамической погрешностью. С ростом расхода увеличивается частота импульсов включения клапана. В результате увеличения интенсивности переходных процессов растут погрешности стабилизации потока критическим соплом и стабилизации давления регулятором, а также, уменьшается диапазон измерения.
Задачей заявляемого технического решения является повышение точности измерения расхода и увеличение диапазона измерения.
Для решения поставленной задачи система измерения газовой среды содержит основную линию подачи газа, измерительный преобразователь расхода, регулятор давления, устройство измерения выходного сигнала измерительного преобразования расхода и i-тое количество клапанов и критических сопел, причем основная линия подачи газа, измерительный преобразователь расхода, регулятор давления соединены последовательно, соединенные последовательно каждые i-тое критическое сопло и i-тый клапан подсоединены параллельно измерительному преобразователю расхода и регулятору давления, а устройство измерения выходного сигнала измерительного преобразования расхода соединено с измерительным преобразователем расхода и всеми i-тыми клапанами, где i - 1; 2…n.
Заявленная система обеспечивает необходимый режим истечения критического сопла при высоком и среднем рабочих давлениях газопровода, поскольку необходимый для сопла перепад давления всегда обеспечивается наличием регулятора давления.
Любое изменение расхода потребителя (при фиксированном состоянии клапанов) отражается только на расходе ветви с регулятором и преобразователем расхода.
Это свойство обеспечивается благодаря объединению у потребителя выходов регулятора давления и критических сопел. Расход критического сопла независим от изменения давления у потребителя, он является источником стабильного потока. Регулятор наоборот, стабилизирует давление у потребителя путем изменения расхода через себя. Он является источником стабильного давления. Поэтому, по своему принципу действия, любое отклонение расхода потребителя от суммы расходов критических сопел регулятор давления пропустит через себя и, соответственно, через преобразователь расхода.
Таким образом, в любой момент времени преобразователь расхода измеряет разность между расходом потребителя и суммой постоянных расходов подключенных критических сопел. При изменении расхода потребителя выше верхнего граничного значения преобразователя расхода, или уменьшение расхода ниже нижнего граничного значения, осуществляется переключение поддиапазона измерения путем подключения или отключения соответствующего критического сопла с помощью электромагнитного клапана. Переключением управляет устройство измерения выходного сигнала измерительного преобразователя расхода.
Таким образом, с помощью критических сопел не только создается прецизионная шкала расходов, но также с помощью автоматической коррекции коэффициента преобразования снижается погрешность преобразователя расхода, осуществляющего измерение в промежутке между метками прецизионной шкалы расходов.
Как известно, критические сопла являются одним из самых стабильных устройств, применяемых для задания расхода. (МИ 1538-86 Критические расходомеры, требования к составу и основные положения методики выполнения измерений массового расхода газа, Казань 1986 г; ISO 9300 Measurement of gas flow Venturi nozzles, ISO 2005). Их часто применяют в поверочных газовых установках для задания эталонных расходов.
Важным свойством критических сопел является независимость потока газа от давления на выходе сопла. Это позволяет путем параллельного соединения набора критических сопел сформировать в эталонном стенде дискретную прецизионную шкалу эталонных расходов.
На рис. 1 система измерения расхода газа, где:
1 - основная линия подачи газа;
2 - измерительный преобразователь расхода;
3 - регулятор давления;
4 - критическое сопло 1;
5 - клапан 1;
6 - критическое сопло i;
7 - клапан i;
8 - устройство измерения выходного сигнала измерительного преобразователя расхода.
На рис. 2 приведена характеристика изменения по диапазону измерения предельной погрешности 8-ми диапазонной системы измерения расхода газа.
В качестве измерительного преобразователя расхода может быть применен расходомер любого типа, имеющий выходной сигнал пропорциональный текущему расходу газа. Например, число-импульсный или частотный выходной сигнал.
Система измерения газовой среды содержащая линию подачи газа 1, измерительный преобразователь расхода 2, регулятор давления 3, устройство измерения выходного сигнала измерительного преобразования расхода 8, первое сопло 4, первый клапан 5 и i-тое количество критических сопел 6 и клапанов 7, причем линия подачи газа 1, измерительный преобразователь расхода 2, регулятор давления 3 соединены последовательно, соединенные последовательно критическое сопло 4 и клапан 5 подсоединены параллельно измерительному преобразователю расхода и регулятору давления, каждые i-тые критические сопла 6 и клапана 7 подсоединены параллельно измерительному преобразователю расхода 2 и регулятору давления 3, а устройство измерения выходного сигнала измерительного преобразователя расхода 8 соединено с измерительным преобразователе расхода 2 и всеми i-тыми клапанами 5, 7.
Система работает следующим образом.
в
p
При расходах меньших, чем верхняя граница диапазона измерения преобразователя расхода Q≤Q, клапана закрыты и расход газа измеряется преобразователем расхода с погрешностью δQ.
в
При превышении верхней границы диапазона измерения преобразователя Q>Q клапан 1 открывается и подключает расход через критическое сопло 1.
Поскольку все изменения текущего расхода вызывают изменение расхода только в преобразователе расхода, то расход через него после открытия клапана уменьшается на величину расхода критического сопла. Чтобы клапан вблизи границы переключения не переключался часто, вводят гистерезис, задавая расход критического сопла меньше диапазона измерения преобразователя расхода
c1
где Q - расход критического сопла;
- соответственно, нижняя и верхняя границы диапазона измерения преобразователя расхода.
Каждое превышение верхней границы диапазона измерения преобразователя расхода, вызывает подключение критических сопел. Соответственно, переход нижней границы диапазона измерения вызывает отключение критических сопел. При каждом переключении сопел изменение расхода не должно превышать величины диапазона измерения преобразователя расхода
Измерение расхода системой осуществляется, одновременно, и в канале преобразователя расхода, и в каналах критических сопел i, но в разных динамических диапазонах и с разными точностями. При измерении критическими соплами обеспечивается высокая точность измерения до 0,25%. За счет этого значительно снижается результирующая погрешность измерения суммарного расхода каналов и снижаются требования к точности и пропускной способности преобразователя расхода и регулятора давления.
Применив i параллельных сопла с расходами , получим результирующий диапазон измерения от  до
Соответственно, динамический диапазон измерения системы будет равен
Таким образом, с помощью критических сопел может быть получен большой динамический диапазон измерений при использовании преобразователя расхода и регулятора давления с малой пропускной способностью и узким диапазоном.
Текущий расход, измеряемый системой, равен сумме расхода через преобразователь расхода  и расходов, подключенных параллельно критических сопел.
Погрешность системы измерения расхода газа равна
где ;  - относительные погрешности, соответственно, преобразователя расхода и результирующая погрешность подключенных критических сопел;
;  - расходы, соответственно, преобразователя расхода и суммарный расход подключенных критических сопел.
При условии, что критические сопла имеют после калибровки равные относительные погрешности , получим
Таким образом, чем больше часть измеряемого потока проходит через сопла, тем меньше погрешность измерения системы.
Для минимизации количества необходимых сопел, расходы (веса) сопел задаются, например, в соответствии с выражением , где i - 1; 2…n.
ci
c
pн
p
3
Например, при применении в системе 3-х параллельных ветвей с критическими соплами со значениями рабочего расхода критических сопел  погрешности критических сопел δQ=δQ=0,4%, типовом рабочим расходе преобразователя расхода G65 от Q=2 м/ч до  (1:50) с погрешностью измерения δQ=l%, получим результирующую погрешность измерения рабочего расхода газа, приведенную в таблице и на Рис. 2.
3
3
Таким образом, на базе типового расходомера и регулятора с пропускной способностью до 100 м/ч, заявленная система с помощью 3-х критических сопел формирует прецизионную шкалу измерений из 7 реперных точек расхода. Прецизионная шкала позволяет не только в 7,65 раз увеличить диапазон измерения (1:382,5) и верхнюю границу измерения системы (от 100 до 765 м/ч при рабочих условиях), но и снизить погрешность измерения в соответствии с таблицей. В зависимости от условий измерения погрешность реперных точек может быть снижена до 0,25%.
i
В системе может быть применен преобразователь расхода с достаточно большой погрешностью измерения, поскольку в процессе измерения его погрешность может быть скорректирована с помощью критических сопел, задающих узловые расходы. При переключении сопел показание преобразователя расхода скачком изменяется на величину приращения расхода критических сопел. Тогда скорректированный коэффициент преобразования расходомера на этом поддиапазоне К определится из отношения
где  - изменение расхода через критические сопла при переходе от (i-1)-поддиапазона к i поддиапазону;
- изменение расхода через преобразователь расхода при переходе от (i-1)-поддиапазона к i поддиапазону, измеренное преобразователем.
Таким образом, с помощью критических сопел не только создается прецизионная шкала расходов, но также с помощью автоматической коррекции коэффициента преобразования снижается погрешность преобразователя расхода, осуществляющего измерение в промежутке между метками прецизионной шкалы расходов.