СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ВЫСОКОТОЧНОГО ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА И КОЛИЧЕСТВА ЖИДКИХ И ГАЗООБРАЗНЫХ СРЕД НА ОСНОВЕ СУЖАЮЩИХ УСТРОЙСТВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ АВТОМАТИЧЕСКОЙ КАЛИБРОВКИ НУЛЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ПЕРЕПАДА ДАВЛЕНИЯ
PROCEDURE AND DEVICE OF HIGH-ACCURACY MEASUREMENT OF FLOW RATE AND AMOUNT OF FLUID AND GASEOUS MEDIUMS ON BASE OF RESTRICTIONS WITH IMPLEMENTATION OF AUTOMATIC CALIBRATION OF ZERO IN PRESSURE FALL TRANSDUCER

1. Область техники, к которой относится изобретение.
Способ и устройство высокоточного измерения расхода и количества жидких и газообразных сред на основе сужающих устройств с использованием автоматической калибровки нуля преобразователя перепада давления относится к области измерения и учета расхода и количества жидких и газообразных сред, прошедших по трубопроводу при коммерческом и/или технологическом учете тепловой энергии, жидкого и газообразного топлива, природного газа, водяного пара, воды и других аналогичных сред, в узлах учета, построенных на основе сужающих устройств и преобразователей перепада давления. Изобретение предназначено для обеспечения высокоточного измерения и учета расхода и количества жидких и газообразных сред, отпуска и потребления тепловой энергии и теплоносителя, газа, пара, воды и других аналогичных сред и расширения диапазона измеряемых расходов.
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…5-2005. «Измерение расхода и количества жидкостей и газов методом переменного перепада давления». Функциональная схема данного способа измерения, назовем его «классическим», приведена на Фиг.1. Сужающее устройство 1 расположено на измерительном трубопроводе 2. Перепад давления на сужающем устройстве 1 измеряют преобразователем перепада давления 4. Температуру среды в трубопроводе 2 измеряют датчиком температуры 5. Давление среды в трубопроводе 2 измеряют датчиком давления 3. По измеренному перепаду давления на сужающем устройстве 1, температуре и давлению среды в трубопроводе, предопределенным параметрам сужающего устройства, измерительного трубопровода и теплофизическим параметрам среды (плотность, вязкость, энтальпия и т.п.), вычислителем 6 рассчитывают расход и количество среды известными методами, приведенными в ГОСТ 8.586.5-2005 «Измерение расхода и количества жидкостей и газов методом переменного перепада давления. Методика проведения измерений».
Признаком данного аналога по отношению к заявляемому изобретению является проведение измерения перепада давления на сужающем устройстве преобразователем перепада давления, имеющего в условиях эксплуатации неконтролируемый дрейф нулевой точки градуировочной характеристики, обусловленный рядом влияющих факторов и, в том числе, изменением абсолютного давления среды в трубопроводе в рабочем диапазоне изменения абсолютных давлений, что приводит к значительной относительной погрешности измерения, гиперболически возрастающей с уменьшением измеряемого расхода.
3. Раскрытие изобретения.
Изобретение направлено на существенное уменьшение (в десятки и более раз) погрешности измерения расхода и количества жидких и газообразных сред и тепловой энергии в узлах коммерческого и технологического учета тепловой энергии, жидкого и газообразного топлива, природного газа, водяного пара, воды и других аналогичных сред, построенных на основе сужающих устройств и преобразователей перепада давления и расширение диапазона измеряемых расходов. Погрешность измерения расхода и количества сред в аналоге, гиперболически возрастающая с уменьшением измеряемого расхода, в основном связана с наличием систематической погрешности измерения, вызванной дрейфом нулевой точки градуировочной характеристики преобразователя перепада давления, обусловленной, в том числе, и изменением абсолютного давления среды в рабочем диапазоне. Предлагаемый способ высокоточного измерения с автоматической калибровкой нуля при текущем рабочем абсолютном давлении среды в трубопроводе существенно уменьшает относительную погрешность измерения расхода и количества среды и расширяет диапазон измеряемых расходов путем автоматической периодической калибровки нулевой точки градуировочной характеристики с использованием двух преобразователей перепада давления, двух трехходовых клапанов и контроллера (вычислителя). Схема измерения температуры по отношению к аналогу не изменяется.
Существенным признаком заявляемого изобретения является наличие в процессе измерений циклической взаимной перемены местами двух преобразователей перепада давления на сужающем устройстве, обеспечиваемой в процессе проведения измерений изменением схемы гидравлической (пневматической) связи преобразователей перепада давления с сужающим устройством с помощью управляемых трехходовых клапанов таким образом, что на протяжении определенного временного периода измерение перепада давления на сужающем устройстве производится первым преобразователем перепада давления с одновременной калибровкой нуля градуировочной характеристики второго преобразователя перепада давления по физически нулевому перепаду давления при рабочем давлении среды в трубопроводе, а на протяжении следующего определенного периода времени измерение перепада давления на сужающем устройстве производится вторым преобразователем перепада давления с одновременной калибровкой нуля первого преобразователя перепада давления по физически нулевому перепаду давления при рабочем давлении среды в трубопроводе, в результате чего измерение перепада давления на сужающем устройстве всегда производится преобразователем с высокоточно откалиброванной нулевой точкой градуировочной характеристики. Технический результат заявляемого изобретения выражается в уменьшении относительной погрешности измерения расхода и количества среды в десятки раз, расширении диапазона измеряемых расходов не менее чем в пять раз (см. оценка (9) и (14) в Приложении 1, «Сравнение оценок относительной погрешности») и существенном повышении стабильности, повторяемости и воспроизводимости результатов измерений.
Функциональная схема высокоточного измерения расхода и количества жидких и газообразных сред на основе сужающих устройств с использованием автоматической калибровки нуля преобразователей перепада давления в двух возможных состояниях приведена на Фиг.2, 3. Последовательность действий способа и устройства высокоточного измерения расхода и количества жидких и газообразных сред на основе сужающих устройств с использованием автоматической калибровки нуля преобразователей перепада давления на некотором цикле измерения, начиная с состояния, приведенного на Фиг.2, следующая. Камера высокого давления преобразователя перепада давления 4 постоянно подключена к точке отбора высокого давления сужающего устройства 1 на трубопроводе 2. Камеру низкого давления преобразователя перепада давления 4 подключают к точке отбора низкого давления сужающего устройства 1 на трубопроводе 2 через трехходовой управляемый клапан 8. Камера высокого давления преобразователя перепада давления 7 постоянно подключена к точке отбора высокого давления сужающего устройства 1 на трубопроводе 2. Камеру низкого давления преобразователя перепада давления 7 подключают к точке отбора высокого давления сужающего устройства 1 на трубопроводе 2 через трехходовой управляемый клапан 9. Таким образом, преобразователем перепада давления 4 измеряют перепад давления на сужающем устройстве 1, а преобразователь перепада давления 7 находится в состоянии калибровки нуля с соединенными между собой камерами высокого и низкого давления посредством трехходового клапана 9, что обеспечивает нулевое значение перепада давления, измеряемого преобразователем перепада давления 7, при текущем рабочем абсолютном давлении среды в трубопроводе 2.
и
к
Контроллером 6 производят считывание перепада давления на сужающем устройстве 1, поступающего с преобразователя перепада давления 4, температуры среды в трубопроводе 2, поступающей с датчика температуры 5, и давления среды в трубопроводе 2, поступающего с датчика давления 3, а также считывание результатов измерения физически нулевого перепада давления преобразователем перепада давления 7, камеры высокого и низкого давления которого соединены между собой посредством управляемого трехходового клапана 9, при текущем рабочем абсолютном давлении среды в трубопроводе. По измеренному преобразователем перепада давления 4 перепаду давления на сужающем устройстве 1, из значения которого вычитается среднее значение результатов измерения нулевого перепада давления преобразователем перепада давления 4, полученное на предыдущем цикле калибровки, давлению, температуре, предопределенным параметрам сужающего устройства, измерительного трубопровода и теплофизическим параметрам среды (плотность, вязкость, энтальпия и т.п.) контроллером 6 производят расчет расхода и количества среды с одновременным расчетом среднего значения результатов измерения преобразователем перепада давления 7 физически нулевого перепада давления. Считывание измерений, расчет расхода и количества среды и расчет среднего значения результатов измерения физически нулевого перепада давления преобразователем перепада давления 7 повторяют I раз с периодом Т в течение времени калибровки Т.
Далее контроллером 6 формируют команды на переключение трехходовых управляемых клапанов 8 и 9, и схема измерений переходит в состояние, приведенное на Фиг.3. В этом состоянии камеру низкого давления датчика перепада давления 7 подключают к точке отбора низкого давления сужающего устройства 1 через трехходовой управляемый клапан 9. Камеру низкого давления преобразователя перепада давления 4 подключают к точке отбора высокого давления сужающего устройства 1 на трубопроводе 2 через трехходовой управляемый клапан 8. Таким образом, преобразователем перепада давления 7 измеряют перепад давления на сужающем устройстве 1, а преобразователь перепада давления 4 находится в состоянии калибровки нуля с соединенными между собой камерами высокого и низкого давления посредством трехходового клапана 8, что обеспечивает физически нулевое значение перепада давления, измеряемого преобразователем перепада давления 4.
и
к
Контроллером 6 производят считывание перепада давления на сужающем устройстве 1, поступающего с датчика перепада давления 7, температуры среды в трубопроводе 2, поступающей с датчика температуры 5, и давления среды в трубопроводе 2, поступающего с датчика давления 3, а также считывание результатов измерения физически нулевого перепада давления преобразователем перепада давления 4, камеры высокого и низкого давления которого соединены между собой посредством управляемого трехходового клапана 8. По измеренному преобразователем перепада давления 7 перепаду давления на сужающем устройстве 1, из значения которого вычитается среднее значение результатов измерения нулевого перепада давления преобразователем перепада давления 7, полученное на предыдущем цикле калибровки, давлению, температуре, предопределенным параметрам сужающего устройства, измерительного трубопровода и теплофизическим параметрам сред (плотность, вязкость, энтальпия и т.п.) контроллером 6 производят расчет расхода и количества среды с одновременным расчетом среднего значения результатов измерения физически нулевого перепада давления преобразователем перепада давления 4. Считывание измерений, расчет расхода и количества среды и расчет среднего значения результатов измерения физически нулевого перепада давления преобразователем перепада давления 4 повторяют I раз с периодом Т в течение времени калибровки Т.
Далее контроллером 6 формируют команды на переключение управляемых клапанов 8 и 9, схема измерения переходит в исходное состояние, приведенное на Фиг.2, и описанная последовательность проведения измерения расхода и количества сореды и калибровки нулевой точки градуировочной характеристики преобразователя перепада давления повторяется.
4. Краткое описание чертежей.
4.1. Фигура 1. Функциональная схема известного способа измерения расхода жидких и газообразных сред.
На Фигуре 1 изображены:
Сужающее устройство 1 расположено на измерительном трубопроводе 2. Перепад давления на сужающем устройстве 1 измеряют преобразователем перепада давления 4. Температуру среды в трубопроводе 2 измеряют датчиком температуры 5. Давление среды в трубопроводе 2 измеряют датчиком давления 3. По измеренному перепаду давления на сужающем устройстве 1, температуре и давлению среды в трубопроводе, предопределенным параметрам сужающего устройства, измерительного трубопровода и теплофизическим параметрам среды (плотность, вязкость, энтальпия и т.п.), вычислителем 6 рассчитывают расход и количество среды известными методами, приведенными в ГОСТ 8.586.5-2005 («Измерение расхода и количества жидкостей и газов методом переменного перепада давления. Методика проведения измерений»).
4.2. Фигура 2. Функциональная схема способа и устройства высокоточного измерения расхода и количества жидких и газообразных сред на основе сужающих устройств с использованием автоматической калибровки нуля преобразователей перепада давления. Первое состояние: измерение перепада давления на сужающем устройстве 1 преобразователем перепада давления 4, преобразователь перепада давления 7 находится в состоянии калибровки нуля.
Камера высокого давления преобразователя перепада давления 4 постоянно подключена к точке отбора высокого давления сужающего устройства 1 на трубопроводе 2. Камера низкого давления преобразователя перепада давления 4 подключена к точке отбора низкого давления сужающего устройства 1 на трубопроводе 2 через трехходовой управляемый клапан 8. Камера высокого давления преобразователя перепада давления 7 постоянно подключена к точке отбора высокого давления сужающего устройства 1 на трубопроводе 2. Камера низкого давления преобразователя перепада давления 7 подключена к точке отбора высокого давления сужающего устройства 1 на трубопроводе 2 через трехходовой управляемый клапан 9. Преобразователем перепада давления 4 измеряют перепад давления на сужающем устройстве 1, а преобразователь перепада давления 7 находится в состоянии калибровки нуля с соединенными между собой камерами высокого и низкого давления посредством трехходового клапана 9, что обеспечивает нулевое значение перепада давления, измеряемого преобразователем перепада давления 7 при текущем рабочем абсолютном давлении среды в трубопроводе 2.
Контроллером 6 производят считывание перепада давления на сужающем устройстве 1, поступающего с датчика перепада давления 4, температуры среды в трубопроводе 2, поступающей с датчика температуры 5, и давления среды в трубопроводе 2, поступающего с датчика давления 3, а также считывание результатов измерения физически нулевого перепада давления преобразователем перепада давления 7, камеры высокого и низкого давления которого соединены между собой посредством управляемого трехходового клапана 9. По измеренному преобразователем перепада давления 4 перепаду давления на сужающем устройстве 1, из значения которого вычитается среднее значение результатов измерения нулевого перепада давления преобразователем перепада давления 4, полученное на предыдущем цикле калибровки, давлению, температуре, предопределенным параметрам сужающего устройства, измерительного трубопровода и теплофизическим параметрам сред (плотность, вязкость, энтальпия и т.п.) контроллером 6 производят расчет расхода и количества среды с одновременным расчетом среднего значения результатов измерения физически нулевого перепада давления преобразователем перепада давления 7.
4.3. Фигура 3. Функциональная схема способа и устройства высокоточного измерения расхода и количества жидких и газообразных сред на основе сужающих устройств с использованием автоматической калибровки нуля преобразователей перепада давления. Второе состояние: измерение перепада давления на сужающем устройстве 1 преобразователем перепада давления 7, преобразователь перепада давления 4 находится в состоянии калибровки нуля.
На Фигуре 3 изображены:
Камера высокого давления преобразователя перепада давления 4 постоянно подключена к точке отбора высокого давления сужающего устройства 1 на трубопроводе 2. Камера низкого давления преобразователя перепада давления 4 подключена к точке отбора высокого давления сужающего устройства 1 на трубопроводе 2 через трехходовой управляемый клапан 8. Камера высокого давления преобразователя перепада давления 7 постоянно подключена к точке отбора высокого давления сужающего устройства 1 на трубопроводе 2. Камера низкого давления преобразователя перепада давления 7 подключена к точке отбора низкого давления сужающего устройства 1 на трубопроводе 2 через трехходовой управляемый клапан 9. Преобразователем перепада давления 7 измеряют перепад давления на сужающем устройстве 1, а преобразователь перепада давления 4 находится в состоянии калибровки нуля с соединенными между собой камерами высокого и низкого давления посредством трехходового клапана 8, что обеспечивает нулевое значение перепада давления, измеряемого преобразователем перепада давления 4.
Контроллером 6 производят считывание перепада давления на сужающем устройстве 1, поступающего с датчика перепада давления 7, температуры среды в трубопроводе 2, поступающей с датчика температуры 5, и давления среды в трубопроводе 2, поступающего с датчика давления 3, а также считывание результатов измерения физически нулевого перепада давления преобразователем перепада давления 4, камеры высокого и низкого давления которого соединены между собой посредством управляемого трехходового клапана 8. По измеренному преобразователем перепада давления 7 перепаду давления на сужающем устройстве 1, из значения которого вычитается среднее значение результатов измерения нулевого перепада давления преобразователем перепада давления 7, полученное на предыдущем цикле калибровки, давлению, температуре, предопределенным параметрам сужающего устройства, измерительного трубопровода и теплофизическим параметрам сред (плотность, вязкость, энтальпия и т.п.) контроллером 6 производят расчет расхода и количества среды с одновременным расчетом среднего значения результатов измерения физически нулевого перепада давления преобразователем перепада давления 4.
5. Осуществление изобретения.
Изобретение может быть осуществлено с использованием оборудования, промышленно выпускаемого в настоящее время многими производителями. В качестве преобразователей давления и преобразователей перепада давления (поз. 3, 4, 7 на Фиг.2, 3) предпочтительно использовать датчики компании "Yokogawa Electric" (Япония) серии EJX, отличающиеся высокой точностью (±0,04%), высокой долговременной стабильностью (±0,1% за 10 лет) и высокой стойкостью к перегрузкам. В качестве трехходовых управляемых клапанов, устанавливаемых на импульсных трубках, могут быть использованы шаровые клапаны серий 40,60 компании "Swagelok" (США). В качестве контроллера (поз. 6 на Фиг.2, 3) можно использовать малогабаритный контроллер STARDOM FCJ производства компании "Yokogawa Electric" (Япония) с реализацией алгоритма способа измерения расхода и количества среды и калибровки на уровне программного обеспечения, которое кроме реализации требований ГОСТ 8.586.1…5-2005. «Измерение расхода и количества жидкостей и газов методом переменного перепада давления» к методу расчета массового (объемного) расхода и количества среды, должно обеспечивать необходимые временные соотношения, управление и синхронизацию работы трехходовых управляемых клапанов и проведение измерений при минимизации погрешностей, которые могут быть вызваны гидравлическими переходными процессами при переключении трехходовых управляемых клапанов. При использовании преобразователей перепада давления серии EJX с цифровым протоколом Foundation Fieldbus, рассчитанное значение нулевой точки градуировочной характеристики может быть записано непосредственно в память преобразователя, кроме того, отдельный преобразователь абсолютного (избыточного) давления в этом случае не требуется, поскольку преобразователь перепада давления серии EJX с цифровым протоколом одновременно с перепадом давления измеряет избыточное или абсолютное давление в любой из его камер.
Приложение 1. Сравнение оценок относительной погрешности.
При проведении сравнения оценок относительной погрешности будем иметь в виду только систематическую составляющую погрешности измерения перепада давления, поскольку при вычислении количества среды путем интегрирования массового расхода случайная составляющая стремится к нулю по мере увеличения интервала интегрирования.
Рассмотрим преобразователь перепада давления с линейной градуировочной характеристикой вида
где:
u
р - измеренное значение перепада давления;
р - истинное значение перепада давления;
k - угол наклона градуировочной характеристики;
0
р - смещение нулевой точки градуировочной характеристики.
Погрешность преобразователей перепада давления нормируется как приведенная к верхнему пределу измерения:
где:
пр
U - приведенная погрешность измерения;
σ - максимальное значение абсолютной погрешности измерения во всем диапазоне перепадов давления;
max
p - верхний предел измерения перепада давления.
Относительная погрешность преобразователей перепада давления равна:
При проведении калибровки нулевой точки градуировочной характеристики путем N-кратного измерения истинно нулевого перепада давления с расчетом среднего значения по N измерениям и вычитания полученного среднего значения из результатов последующих измерений реального расхода, получим систематическую составляющую абсолютной погрешности измерения нулевого перепада давления, не превышающую значения
Поскольку абсолютная погрешность измерения перепада давления равна:
то получим значение
При максимальном значении перепада давления абсолютная погрешность не превышает σ, поэтому, используя формулу (5), получим:
Откуда
pc
Таким образом, после проведения автоматической калибровки нулевой точки градуировочной характеристики преобразователя перепада давления, относительная погрешность измерения перепада давления U' равна:
Разделив значение относительной погрешности измерения перепада давления без использования автоматической калибровки, согласно выражению (3), на значение относительной погрешности с использованием автоматической калибровки, согласно выражению (8), получим выигрыш в точности измерения:
Для оценки степени расширения диапазона измеряемых массовых расходов зададим некоторую предельную относительную погрешность измерения массового расхода и рассчитаем отношение расхода к верхнему пределу измерения расхода, при котором достигается предельная относительная погрешность измерения массового расхода. Учитывая то, что
где:
q - текущий массовый расход;
max
q - верхний предел измерения массового расхода;
а также то, что относительная погрешность при измерении массового расхода методом переменного перепада давления равна половине относительной погрешности измерения перепада давления, получим из соотношения (3) диапазон измеряемых расходов для случая без автоматической калибровки нулевой точки градуировочной характеристики:
Из выражения (11) отношение расходов, при котором достигается заданное предельное значение относительной погрешности измерения расхода, для случая без автоматической калибровки нулевой точки градуировочной характеристики равно:
Из соотношения (8) получим диапазон измеряемых расходов для случая с автоматической калибровкой нулевой точки градуировочной характеристики:
Разделив выражение (13) на выражение (12) получим выигрыш в расширении диапазона измеряемых расходов:
Построим графики зависимости относительной погрешности измерения перепада давления без и с использованием автоматической калибровки и выигрыша в точности измерения в зависимости от относительного перепада давления  для преобразователя EJX110A, имеющего приведенную погрешность 0,04% от верхнего предела измерения при условии проведения калибровки в течение одного часа при измерении нулевого перепада давления один раз в секунду (N=3600).
Фиг.4. Графики зависимости относительной погрешности измерения перепада давления без автоматической калибровки и с автоматической калибровкой и выигрыша в точности измерений от относительного перепада давления, выраженного в процентах от верхнего предела измерений.
С учетом того, что погрешность при измерении массового расхода методом переменного перепада давления равна половине погрешности измерения перепада давления и что массовый расход связан с перепадом давления корневой зависимостью, построим графики зависимости относительной погрешности измерения массового расхода без автоматической калибровки и с автоматической калибровкой и выигрыша в точности измерений от относительного массового расхода, выраженного в процентах от верхнего предела измерений.
Фиг.5. Графики зависимости относительной погрешности измерения массового расхода без автоматической калибровки и с автоматической калибровкой и выигрыша в точности измерений от относительного расхода, выраженного в процентах от верхнего предела измерений.
Из приведенного графика и формул (9) и (14) следует, что в условиях сравнения выигрыш в точности измерения массового расхода и количества среды увеличивается по мере снижения расхода и достигает 60 раз при расходе, стремящемся к нулю. Приняв максимальную погрешность измерения массового расхода и количества среды равной двум процентам, получим увеличение диапазона измеряемых расходов с 10:1 без автоматической калибровки до 100:1,3 с автоматической калибровкой, таким образом, увеличение диапазона измерений массового расхода составляет 7,7 раза.