ИЗМЕРИТЕЛЬ РАСХОДА ГАЗА

Полезная модель относится к области измерительной техники и может быть использована в системах измерения газообразных сред.
Известен измеритель потока среды (RU 2572461 С2, 10.01.2016), в котором часть потока возвращают через вспомогательный расходомер в основной канал для понижения порога чувствительности. Недостатком устройства является наличие в схеме измерения дополнительного расходомера, который усложняет процедуру измерения. Дополнительный прибор всегда удорожает эксплуатацию, связанную с его аттестацией, увеличивает комплект оборудования, уменьшает общий ресурс измерителя.
Известен турбинный расходомер газа (RU 172725 U1, 21.07.2017), который содержит измерительную трубу с размещенными внутри по потоку в основном канале камерой входа с вентилятором и турбиной. Недостаток известного расходомера в отсутствии управляемого привода турбины, что не позволяет осуществлять взаимодействие между вентилятором и турбиной при измерении расхода на основном участке измерения расхода газа, невозможностью корректировки оборотов турбины для уменьшения погрешности измерения.
Техническим результатом является расположение турбины с управляемым приводом в основном канале измерителя, расширение зоны линейной характеристики, уменьшения погрешности измерения расхода, применяя компенсационный метод измерения.
Технический результат достигается тем, что предложенный измеритель расхода газа по модели содержит проточную измерительную трубу с расположенными внутри по потоку в основном канале камерой входа с вентилятором, управляемым приводом, и входом с управляемой турбиной своим приводом, выходной обтекатель вентилятора совместно с входным обтекателем турбины конструктивно выполненными сужающимся кольцевым соплом, камерой выхода, соединенной каналом реверса с камерой входа вентилятора, и автоматику вычисления расхода газа.
На фиг. 1 представлена конструкция модели в продольном АБ по потоку и поперечном СС разрезах.
На фиг. 2 приведена статическая характеристика модели в координатах «частота-расход» ƒ=F(Q).
Принцип действия измерителя расхода газа основан на взаимодействии движущегося потока газа с вентилятором (крыльчаткой вентилятора) с приводом и с турбиной (крыльчаткой турбинного колеса) со своим приводом, расположенных в измерительной трубе. С помощью крыльчатки осевая скорость потока газа преобразуется в угловую скорость вращения. Скорость вращения крыльчатки пропорциональна объемному расходу газа, а число оборотов крыльчатки - объему газа, прошедшему измерительный преобразователь.
Измеритель расхода газа (фиг. 1) содержит проточную измерительную трубу 1 с расположенными внутри по потоку в основном канале 2 камерой входа 3, входом 5 вентилятора 4, управляемым приводом, входом 6 турбины 7, управляемой своим приводом, камерой 8 выхода, соединенной каналом 9 реверса с входом 5 вентилятора 4 и через вход 6 с турбиной 7, конфузорное сопло 10 и автоматику 11 и 18 измерения и вычисления расхода газа.
Автоматика измерения и вычисления расхода газа в виде блока закреплена непосредственно на измерительной трубе 1 и работает по 2-м алгоритмам измерения и вычисления.
2
2
Весь диапазон измерения (фиг. 2), как в прототипе, разделяют на две части. Границу деления частей измерения (точка А) определяют частотой электрогенератора 12. В первой части до точки А работает вентилятор 4 с потоком реверса (линия Q) - измерение расхода вычисляется (работает схема 11 автоматики) по изменению разницы частот прибытия расхода основного потока Q и убытия потока реверса Q, во второй части - вентилятор 4 поддерживает нулевой перепад давления на турбине 7 путем выработки сигнала управления на привод турбины 7 и уменьшения потери статического давления.
Нулевой перепад давления применяется в наиболее значимом по величине расхода на основном участке измерения, значимом по уменьшению погрешности измерения при больших расходах.
т
constЭГ
В первой части диапазона, когда расходомер работает в области измерения пониженного расхода, в автоматике работает первый алгоритм по схеме 11, состоящей из сумматора 14 - это устройство сравнения сигналов скорости вращения по частоте ƒ, получаемой от турбины 7, приходящего через клеммы 16, и сигнала собственного 12 электрогенератора ƒ для коррекции сигнала на привод крыльчатки 4 через клеммы 15. Индикатор 13 расхода Q - общий при работе обоих алгоритмов.
В первой части диапазона
2
2max
тн
2
2max
тн
2
расход Q изменяется от Q=Q до Q=0, по частоте от ƒ=ƒ до ƒ=0,
тн
т
эг
тн
т
constЭГ
расход Q изменяется от Q=0 (20 л/ч) до Q=Q(100 л/ч), по частоте от ƒ до ƒ=ƒ,
1
2
1
2
т
расход Q=Q+Q=const не изменяется, по частоте не изменяется ƒ=ƒ+ƒ.
2
2
т
2
2
При измерении в первой части: увеличивают поток реверса Q (ƒ) при уменьшении измеряемого потока Q (ƒ) до согласованного выбранного значения нижнего предела и уменьшают величину Q (ƒ) до нуля по мере увеличения потока Q до выбранного значения верхнего предела первой части диапазона.
Во второй части диапазона электрогенератор 12 выключен из работы. Автоматика работает по второму алгоритму - схема 18, состоящей из нуль-органа 17 частоты скорости вращения вентилятора 4 и сумматора 14, выходной сигнал которого передается на индикатор 13.
1
2
2
1
2
т
1
2
На фиг. 2 линия Q характеризует расход , измеренный турбиной 7 при работе вентилятора 4, линия Q - изменение расхода реверса Q при подаче в камеру 6 и турбину 7 от вентилятора 4. В этом диапазоне измерения расхода до т. А индикатор 13 фиксирует расход газа по формуле Q=Q-Q или по частоте ƒ=ƒ-ƒ.
2
Для формирования потока и уменьшения гидравлического сопротивления потоку газа крыльчатки вентилятора 4 и турбины 6 заключены в аэродинамические обтекатели. Выходной обтекатель вентилятора совместно с входным обтекателем турбины конструктивно представляют собой сужающееся кольцевое сопло, в котором основной поток 2 увеличивает скорость, в камере 6 понижается статическое давление и увеличивается тяга и расход Q вентилятора 4. Сужающееся (конфузорное) кольцевое сопло 10 позволяет увеличить число Рейнольдса Re, характеризующее течение измеряемого потока, и расширяет зону линейной характеристики (П.П. Кремлевский. Расходомеры и счетчики количества веществ. Спр. Книга первая \ Политехника. С-П. 2002 г. \ с. 302). В модели использованы два воздуходувных устройства 4 и 7 для упрощения наладки и эксплуатации.
2
Вентилятор 4 включается потребителем газа по внешней команде кнопкой вкл/выкл на сумматоре 14. Поток Q вентилятора 4 протекает по кольцу каналов, образованного следующими конструктивными элементами (фиг. 1): камерой 8, каналом 9 реверса потока, камерой 5 с вентилятором 4, камерой 6, с расположенной в ней турбиной 7 и вновь камерой 8.
тн
т
constЭГ
max
т
constЭГ
min
При отсутствии перепада давления в газовой сети турбина 7 измеряет только расход вентилятора 4. При этом преодолен порог нечувствительности турбины 7 и достигнута устойчивая начальная частота ƒ вращения турбины (фиг. 2). Через датчик вращения турбины 7 и клеммы 16 частота ƒ турбины 7 сравнивается по величине с заданной частотой ƒ электрогенератора 12 автоматики схемы 11 и полученная разница этих частот ƒ=ƒ-ƒ фиксируется как соответствующая расходу газа Q=0, начиная с которого измеряется турбиной 7 потребляемый расход Q.
1
2
2
1
тн
2
1
2
2
max
т
constЭГ
constЭГ
При наличии перепада давления в сети образуется суммарный поток Q=Q+Q за счет присоединения потока реверса Q через вентилятор 4, и поток Q основного канала 2 проходит в камеру 3 и на вход 6 и через турбину 7 в камеру выхода 8 к потребителю. Величина Q измеряется начальной частотой вращения ƒ турбины 7, образованной потоком реверса Q при отсутствии потока Q. Приращение частоты вращения турбины на величину Δƒ передается в сумматор 14 с последующим выводом на индикатор 15. В камере 8 выхода из суммарного потока Q выделяется поток реверса Q и c выхода расходомера поток величиной Q попадает к потребителю. Выделение потока реверса Q происходит за счет частичного разрежения в камере 8, образованного тягой (вакуумированием, подсосом) при вращении крыльчатки вентилятора 4 в той мере, которая определяется величиной разницы Δƒ=ƒ-ƒ частоты турбины 7 и заданной электрогенератором 14 частоты ƒ в первой части измерения расхода.
т
constЭГ
2
2
2
2
При постепенном увеличении расхода Q в основном канале 2 частота вращения турбина 7 возрастает и по величине Δƒ=ƒ-ƒ сумматор 14 выдает команду на привод крыльчатки вентилятора 4 для снижения расхода Q. Одновременно изменение величины частоты Δƒ, которая обратно пропорциональна ΔQ, фиксируется индикатором 15 как фактически замеренный измерителем расход Q газа. При этом после процедуры вычитания тот поток Q газа на выходе из камеры 8, который поступил в нагрузку, считается равным по величине потоку, поступившему в основной канал 2 и измерен с некоторой погрешностью ς, зависимой от стабильности статической характеристики вентилятора «частота - расход» и отрицательной обратной связи в сумматоре 14. При изменении величины потока Q обратно пропорционально изменяется величина потока реверса Q. Расход Q, развиваемый вентилятором 4, управляется сумматором 14.
2
1
т
По мере увеличения расхода Q уменьшается до нуля расход Q, развиваемый вентилятором 4, и работа вентилятора прекращается по достижению Δƒ=0, одновременно выключается из работы электрогенератор 12. Этот момент фиксируется т. А на характеристике (фиг. 2) и наступает вторая часть характеристики при измерения расхода Q после прохождения т. А. При измерении используется компенсационный метод с нулевым перепадом давления. Это позволяет уравнять расход Q в проточной трубе 1 по основному каналу 2 и расход Q, проходящего через турбину 7. В таком уравновешенном состоянии частота ƒ вращения турбины 7 будет «идеально» измерять расход Q. Компенсационный метод с нулевым перепадом давления уменьшает погрешность измерения расхода. При измерении расхода турбиной, вращающейся только под напором потока Q, погрешность всегда выше за счет протечек сквозь турбину, изменения вязкости и динамических скоростных ошибок при изменении режима течения.
2
Во второй части диапазона вентилятор 4 работает как нуль-индикатор перепада давления между камерами 6 и 8 при измерении турбиной 7 расхода Q потока основного канала 2 при некоторой величине потока реверса . Измерением частоты вращения турбины 7, сигнал которой непосредственно проходит через устройство 18 на индикатор 13, фиксируется измеряемый расход во втором диапазоне. Вентилятор 4 находится в пассивном режиме и не управляется своим приводом, а управляется расходом Q реверса. В классической схеме измерения расхода нулевой перепад контролируется датчиком перепада давления непосредственно на измерителе. В данной схеме измерения нулевой (близкий к нулю) перепад давления контролируется расходом газа между камерами 6 и 8, т.е. отсутствие расхода между сечениями подтверждает отсутствие перепада давления между ними .
1
При наличии некоторой скорости вращения крыльчатки вентилятора 4, сигнал отклонения ее частоты вращения от сигнала  передается через автоматику, работающей по алгоритму 18, турбине 7 и изменяет уже ее частоту вращения (подкручивая или замедляя). Корректировкой скорости турбины устраняются потери статического давления основного потока Q, типа потерь на завихрение потока, на трение, потери на входе и выходе из турбины, неучтенный расход при прохождении сквозь турбину 7 и др. Сигнал величины скорости вращения вентилятора 4, как нуль-органа, передается в блок 17 и через сумматор 14 на привод турбины 7 для поддержания скорости ее вращения потока для сохранения равенства Q=Q и замера расхода.
1
2
2
При уменьшении потока Q поток реверса получает обратное направление, увеличивая давление за турбиной 7 и повышая сопротивление канала за турбиной. При этом снижается скорость вращения турбины 7 для выравнивания расхода Q=Q, и уменьшения (для сдерживания) потока реверса Q до состояния Q=0 и перепада давления  между точками 6 и 8.
2
Возможна дополнительная корректировка измеренного расхода с помощью имеющейся предварительно полученной характеристики Q=F (Q), хранящейся в библиотеке вычислительного блока автоматики 19.
2
2
20
1
1
т
constЭГ
1
Практический пример. Измерительная работа вентилятора 4 (фиг. 2, линия Q) и потока реверса Q начинается с условного нуля, например, назначено Q=20 л/ч. Величина расхода Q поддерживается постоянной (линия Q) по основному каналу 2 через турбину 7, и равной, например, 100 л/ч (т. А). В первой части поддержание расхода  на выбранном уровне необходимо для отсчета показаний Δƒ=ƒ-ƒ приращения расхода ΔQ, подаваемых на индикатор 13. Таким образом, измерение начинается с произвольно заданной начальной величины Q=20 л/ч, которую можно выбрать и менее, но это определяется порогом чувствительности вентилятора 4. При выбранных начальных условиях расход Q<20 л/ч не измеряется. После т. А измерение ведется по линии Q с погрешностью, определяемой турбиной 7, как турбиной, включенной в работу с корректировкой по «нулевому» перепаду давления. Предложенная модель позволяет снизить порог чувствительности расходомера, тем самым расширить диапазон измерения расхода и уменьшить погрешность измерения расхода в двух частях диапазона до и после т. А.