ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА ДЛЯ УЧЕТА ГАЗА, ПОСТАВЛЯЕМОГО НА АГНКС
MEASURING SYSTEM FOR GAS ACCEPTANCE, SUPPLIED TO AGFCS

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к устройствам для измерения объема газа, и может быть использовано, например, для измерений объемного расхода и объема газа на входе автомобильных газонаполнительных компрессорных станций (далее - АГНКС) при рабочих условиях и расчетом потребленного объема газа, приведенного к стандартным условиям.
В описании использованы следующие сокращения и термины.
GALSi 13 - модифицированный алюминиево-кремниевый сплав.
GSM - глобальный стандарт цифровой мобильной сотовой связи, с разделением каналов по времени (TDMA - Time Division Multiple Access - множественный доступ с разделением по времени) и частоте (FDMA - Frequency Division Multiple Access - множественный доступ с разделением каналов по частоте). Относится к сетям цифровой сотовой связи второго поколения 2G (от англ. second generation - второе поколение. 1G - аналоговая связь).
GPRS - надстройка над технологией мобильной связи GSM, осуществляющая пакетную передачу данных. GPRS позволяет пользователю сети сотовой связи производить обмен данными с другими устройствами в сети GSM и с внешними сетями, в том числе Интернет.
EDGE - цифровая технология беспроводной передачи данных для мобильной связи, которая функционирует как надстройка над 2G и 2.5G (СРRS)-сетями. Эта технология работает в TDMA- и GSM-сетях. Для поддержки EDGE в сети GSM требуются определенные модификации и усовершенствования.
3G - (от англ. third generation - третье поколение), широкополосная цифровая сотовая связь, набор услуг, который объединяет как высокоскоростной мобильный доступ с услугами сети Интернет, так и технологию радиосвязи, которая создает канал передачи данных. В настоящее время из-за массовых рекламных акций под этим термином чаще всего подразумевается технология UMTS с надстройкой HSPA. Мобильная связь третьего поколения строится на основе пакетной передачи данных. Сети третьего поколения 3G работают на границе дециметрового и сантиметрового диапазона, как правило, в диапазоне около 2 ГГц, передавая данные со скоростью до 3,6 Мбит/с. Они позволяют организовывать видеотелефонную связь, смотреть на мобильном телефоне фильмы и различный контент.
4G/LTE - (от англ. fourth generation - четвертое поколение) - поколение мобильной связи с повышенными требованиями. К четвертому поколению принято относить технологии, позволяющие осуществлять передачу данных со скоростью, превышающей 100 Мбит/с - подвижным и 1 Гбит/с - стационарным абонентам.
UART - Универсальный асинхронный приемопередатчик (УАЛЛ, англ. Universal Asynchronous Receiver-Transmitter, UART) - узел вычислительных устройств, предназначенный для организации связи с другими цифровыми устройствами. Преобразует передаваемые данные в последовательный вид так, чтобы было возможно передать их по цифровой линии другому аналогичному устройству. Представляет собой логическую схему, с одной стороны подключенную к шине вычислительного устройства, а с другой имеющую два или более выводов для внешнего соединения. UART может представлять собой отдельную микросхему (например, Intel 18251, 18250) или являться частью большой интегральной схемы (например, микроконтроллера). Используется для передачи данных через последовательный порт компьютера, часто встраивается в микроконтроллеры.
ModBusRTU - открытый коммуникационный протокол, основанный на архитектуре ведущий-ведомый (master-slave). Широко применяется в промышленности для организации связи между электронными устройствами. Может использоваться для передачи данных через последовательные линии связи RS-485, RS-422, RS-232. Контроллеры на шине Modbus взаимодействуют, используя master-slave модель, основанную на транзакциях, состоящих из запроса и ответа. Обычно в сети есть только одно ведущее, так называемое, «главное» (англ. master) устройство, и несколько ведомых - «подчиненных» (англ. slaves) устройств. Главное устройство (мастер) инициирует транзакции (передает запросы). Мастер может адресовать запрос индивидуально любому подчиненному или инициировать передачу широковещательного сообщения для всех подчиненных устройств. Подчиненное устройство, опознав свой адрес, отвечает на запрос, адресованный именно ему. При получении широковещательного запроса ответ подчиненными устройствами не формируется. Спецификация Modbus описывает структуру запросов и ответов. Их основа - элементарный пакет протокола, так называемый PDU (Protocol Data Unit). Структура PDU не зависит от типа линии связи и включает в себя код функции и поле данных. Код функции кодируется однобайтовым полем и может принимать значения в диапазоне 1…127. Диапазон значений 128…255 зарезервирован для кодов ошибок. Поле данных может быть переменной длины. Размер пакета PDU ограничен 253 байтами. Для передачи пакета по физическим линиям связи PDU помещается в другой пакет, содержащий дополнительные поля. Этот пакет носит название ADU (Application Data Unit). Формат ADU зависит от типа линии связи. Существуют три варианта ADU, два для передачи данных через асинхронный интерфейс и один - через TCP/IP сети. Modbus RTU - компактный двоичный вариант для передачи через асинхронный интерфейс. Сообщения разделяются по паузе в линии. Сообщение должно начинаться и заканчиваться интервалом тишины, длительностью не менее 3,5 символов при данной скорости передачи. Во время передачи сообщения не должно быть пауз длительностью более 1,5 символов. Для скоростей более 19200 бод допускается использовать интервалы 1,75 и 0,75 мс, соответственно.
Известна система под названием «Устройство для измерения расхода газа на АГНКС» по патенту РФ №95828 на полезную модель с приоритетом от 30.03.2010 МПК G01F 1/34 (2006.01). Она относится к измерительной технике и предназначена для измерения расхода природного сжатого газа на АГНКС при заправке газобаллонного оборудования автомашин сжатым природным газом. Выполнена в виде трубки Вентури со штуцерами отбора воздуха в широком и узком сечениях, к которым соответственно присоединены датчики давления и температуры, выходы которых подключены к вычислительному блоку, причем, за мерной шайбой, выполненной с косым срезом, устанавливается кольцо с «затенением» под углом от 30 до 50° к потоку газа, которое в месте измерения статического давления создает дополнительную скорость движения газа, вызывая большее изменение (уменьшение) статического давления, и расширяет диапазон измерения перепада давления газа Рп/Рст, что обеспечивает полноценную заправку газобаллонного оборудования автомашин при сохранении скорости движения газа в минимальном сечении мерной шайбы. Однако, при использовании указанного устройства общий расход газа на АГНКС можно определить только в одном направлении и только по сумме показаний нескольких расходомеров, установленных на каждой топливораздаточной колонке. Кроме того, в данной конфигурации не реализован учет газа затраченного на собственные технологические потери при работе оборудования, учет газа на отопление станции АГНКС и др. Принцип действия расходомеров основан на методе измерения переменного перепада давления на трубе «Вентури». Данный способ измерения имеет ряд недостатков: узкий динамический диапазон измерения - не более 1:10, вследствие ограниченных возможностей применяемых преобразователей перепада давления, а также невозможность выполнения измерений обратных потоков газа, существующих при различных технологических режимах работы АГНКС. Метод измерения - косвенный, поскольку первичный измеряемый параметр это не расход или скорость, а перепад давления. Точность вычисления объемного расхода газа будет зависеть от многочисленных параметров определенных как условно-постоянные величины. Состояние трубки Вентури и предлагаемой к установке затеняющей диафрагмы сильно влияют на показания т.к. профиль трубки и состояние кромки диафрагмы (зависят от степени загрязнения) влияют на фактический коэффициент истечения, используемый в математическом расчете как условно-постоянный параметр. Кроме того, комплект дополнительных средств измерения параметров газа существенно приводит к удорожанию всей измерительной системы.
Также известен «Ультразвуковой расходомер-счетчик газа» по патенту РФ №2336499 на изобретение с приоритетом от 21.03.2007 МПК G01F 1/66 (2006.01), G01F 15/04 (2006.01). Данное устройство используют для измерения объемного расхода газа ультразвуковой метод измерения разницы времени прохождения сигнала по потоку и против потока и имеет в своем составе встроенный корректор расхода и объема газа, приводящий измеренное значение объемного расхода газа к стандартным условиям по ГОСТ 2939 «Газы. Условия для приведения объема» с использованием датчиков давления и температуры, а также известных зависимостей физико-химических показателей газа. Измерение скорости потока природного газа осуществляют посредством:
- поочередного излучения ультразвуковых импульсов в мерном участке трубопровода по направлению потока газа и против него;
- приема излученных ультразвуковых импульсов;
- преобразования принятых ультразвуковых импульсов в электрический сигнал;
- измерения временных интервалов между моментами излучения и приема каждого из указанных ультразвуковых импульсов;
- вычислительных процедур, учитывающих величины измеренных временных интервалов и геометрические размеры мерного участка. Вычисление объемного расхода газа осуществляется по геометрическим размерам мерного участка и измеренной скорости потока природного газа, скорректированной в зависимости от измеренного давления и параметров газа. Ультразвуковой расходомер-счетчик имеет определенные недостатки. В частности ультразвуковой расходомер-счетчик не предусматривает возможность применить его для учета газа поставляемого на АГНКС. В формулах вычисления объемного расхода газа приведенного к стандартным условиям, а именно для расчета коэффициента сжимаемости и адиабаты природного газа используются условно-постоянные параметры по ГОСТ 30319-96 «Газ природный. Методы расчета физических свойств» значения, которых справедливы только для давлений газа не более 0,2 МПа. В связи с тем, что практически все АГНКС на территории РФ подключают к газопроводам высокого давления от 0,6 МПа до 1,2 МПа, практическое применение данного изобретения в составе измерительных систем не позволит получить необходимую точность измерения не хуже 1% по объемному расходу газа.
Наиболее близким аналогом (прототипом) заявляемой измерительной системы является измерительная система под названием «Узел учета газа на АГНКС» (см. http://npk-pmo.ru/agnks). Данная система также имеет измерительный и регистрирующий узлы. Измерительный узел состоит из двух вихревых расходомеров ИРВИС-РС-4 (см. http://www.npk-pmo.ru/rs4) и участка трубопровода между ними. Два расходомера необходимы потому, что процесс формирования потока газа при работе АГНКС является двунаправленным. При отключении компрессоров возникают переменные обратные потоки, а каждый из расходомеров может измерять скорость потока только в одном направлении. С учетом этого, расходомеры включены встречно для выполнения измерений прямого и обратного потока на одном трубопроводе. Каждый расходомер состоит из измерительного отрезка трубы, первичного преобразователя расхода, первичного преобразователя давления и первичного преобразователя температуры. Таким образом, измерительный узел содержит по меньшей мере два расходомера, соответственно, с двумя преобразователями расхода, двумя измерительными отрезками трубы, двумя датчиками температуры, двумя датчиками давления, и участок трубы между расходомерами. Преобразователь расхода представляет собой тело обтекания внутри измерительного отрезка трубы с установленным в нем детектором вихрей. Детектор вихрей представлен в виде электронного устройства с чувствительным к пульсациям измеряемой среды элементом, который регистрирует частоту вихреобразования, обрабатывает ее и формирует выходной частотный сигнал. В качестве детектора вихрей используют от двух до четырех пар датчиков пульсаций скорости или давления газа. Регистрирующий узел состоит из расходомерного шкафа с двумя вычислителями расхода, по одному на каждый расходомер, и цифровым суммирующим регистратором, выполняющим окончательный подсчет результирующей по объему поставленного газа. Принцип измерения расхода газа основан на детектировании частоты вихрей, образующихся в потоке при обтекании призмы расположенной в расходомере поперек потока. Поэтому, в указанной системе применены два расходомера, каждый из которых учитывает газ в своем направлении. Измерительную информацию от каждого вычислителя расхода заводят на цифровой суммирующий регистратор и выполняют вычисление результирующего объемного расхода газа, поставленного на АГНКС. Однако данная система имеет ряд недостатков. К числу которых следует отнести узкий динамический диапазон измерений, то есть отношение максимального измеряемого расхода к минимальному, не превышающее значений от 1:20 до 1:40. Это обусловлено тем, что прямые и обратные потоки регистрируются двумя расходомерами независимо, а минимальное пороговое значение измеряемой скорости потока для вихревого расходомера составляет от 0,05 до 0,2 м/сек. Кроме того, возникающие в ходе работы АГНКС колебания и малые расходы в трубопроводе между расходомерами, например, при скорости потока от 0,006 до 0,012 м/сек, не учитываются. Это, в конечном итоге, ведет к увеличению погрешности измерений, которая составляет более 1% от общего объема газа, поставленного на АГНКС. Кроме того, расположение вычислителей расхода в регистрирующем узле снижает скорость получения результирующей по объему поставленного на АГНКС газа, и не позволяет размещать регистрирующий узел далее чем на триста метров от измерительного, поскольку передачу аналоговых сигналов от расходомеров в вычислители расхода для дальнейшей обработки осуществляют по аналоговым каналам.
Задача авторов изобретения заключалась в создании измерительной системы, позволяющей вычислять объемный расход газа с меньшей погрешностью и большим динамическим диапазоном измерений, а также увеличить скорость получения результирующего объема газа, поставленного на АГНКС и обеспечить возможность размещения регистрирующего узла на большем расстоянии от измерительного. Технический результат состоит в увеличении динамического диапазона и повышении точности измерений объемного расхода газа за счет применения измерительного узла, состоящего из ультразвукового расходомера с возможностью многолучевого измерения скорости потока в прямом и обратном направлении, а также за счет реализации программного алгоритма обработки сигналов с ультразвуковых приемопередатчиков, позволяющего распознавать направление потока. Кроме того, технический результат состоит в увеличении скорости получения результирующего объема газа, поставленного на АГНКС, и радиуса расположения регистрирующего узла за счет размещения вычислителя расхода непосредственно на расходомере в измерительном узле, и передачи данных в регистрирующий узел по цифровым каналам.
Сущность изобретения состоит в том, что в измерительной системе для учета газа, поставляемого на АГНКС, выполненной с возможностью учета двунаправленных потоков и состоящей из связанных между собой измерительного и регистрирующего узлов, измерительный узел состоит из ультразвукового расходомера и преобразователей давления и температуры, причем ультразвуковой расходомер выполнен из соединенных между собой электронного блока с вычислителем расхода и ультразвукового преобразователя расхода, корпус которого содержит измерительный отрезок трубы с отверстиями в местах установки ультразвуковых приемопередатчиков и, по меньшей мере, четыре пары ультразвуковых приемопередатчиков, расположенных под углом к направлению потока, с возможностью образования по меньшей мере, четырех измерительных лучей, а преобразователи давления и температуры соединены с электронным блоком расходомера.
Сущность изобретения состоит также в том, что корпус ультразвукового преобразователя расхода выполнен в виде измерительного отрезка трубы с патрубками для установки ультразвуковых приемопередатчиков.
Кроме того, сущность изобретения состоит в том, что в заявленной измерительной системе ультразвуковой преобразователь расхода может быть выполнен с возможностью хордового или диаметрального расположения пар приемопередатчиков.
Вместе с тем сущность изобретения состоит в том, что в заявленной измерительной системе регистрирующий узел может состоять из расходомерного шкафа с панельным компьютером или регистратором на базе микроконтроллера либо микропроцессора.
Также, сущность изобретения состоит в том, что в заявленной измерительной системе корпус ультразвукового преобразователя может быть выполнен с возможностью защиты ультразвуковых приемопередатчиков от атмосферного воздействия и осадков, как всех вместе, так и каждого в отдельности или попарно.
Изобретение поясняется графически, где
На фиг. 1 изображен общий вид измерительной системы для учета газа.
На фиг. 2 изображена функциональная схема измерительной системы.
На фиг. 3 изображен четырехлучевой расходомер с хордовым расположением лучей в аксонометрический проекции.
На фиг. 4 изображен четырехлучевой расходомер с хордовым расположением лучей в аксонометрический проекции со снятой крышкой ультразвуковых приемопередатчиков.
На фиг. 5 изображен четырехлучевой расходомер с диаметральным расположением лучей в аксонометрический проекции.
На фиг. 6 изображен четырехлучевой расходомер с диаметральным расположением лучей в аксонометрический проекции со снятой крышкой ультразвуковых приемопередатчиков.
На фиг. 7 изображен разрез А-А четырехлучевого расходомера с хордовым расположением лучей
На фиг. 8 изображен разрез В-В четырехлучевого расходомера с диаметральным расположением лучей.
На фиг. 9 изображен ультразвуковой приемопередатчик с втулкой.
На фиг. 10 изображен электронный блок в разрезе.
На фиг. 11 изображен вычислитель расхода.
На фиг. 12 изображен вычислитель расхода в разрезе.
На фиг. 13 изображен расходомерный шкаф с компьютером.
На фиг. 14 изображен расходомерный шкаф с компьютером, вид на нижнюю панель.
На фиг. 15 изображен расходомерный шкаф с компьютером с открытой дверцей.
На фиг. 16 изображен расходомерный шкаф с компьютером, вид на дверцу изнутри.
На фиг. 17 изображен расходомерный шкаф с регистратором на базе микроконтроллера, либо микропроцессора, в пластиковом корпусе.
На фиг. 18 изображен расходомерный шкаф с регистратором на базе микроконтроллера, либо микропроцессора, в пластиковом корпусе - вид со снятой передней крышкой.
На фиг. 19 изображен расходомерный шкаф с регистратором на базе микроконтроллера, либо микропроцессора, в пластиковом корпусе - вид на нижнюю панель.
На фиг. 20 изображена базовая схема измерения скорости потока, справедливая для каждой пары ультразвуковых приемопередатчиков образующей луч.
В предпочтительном варианте исполнения заявляемая измерительная система для учета газа состоит из измерительного 1 и регистрирующего 2 узлов. Измерительный узел 1 состоит из расходомера 3 и преобразователя температуры 4. Расходомер 3 с помощью фланцев 5 герметично соединен с фланцами 6 подающего трубопровода 7 АГНКС посредством болтов 8 и прокладок 9. Расходомер 3 состоит из ультразвукового преобразователя расхода 10, электронного блока 11 с вычислителем расхода 12 и первичного преобразователя давления 13. Причем первичный преобразователь давления 13 предпочтительно выполнен с возможностью защиты от взрыва. Первичный преобразователь давления 13 подключен к электронному блоку 11 при помощи кабеля. Преобразователь температуры 4 расположен на подающем трубопроводе 7 АГНКС и также подключен к электронному блоку 11 при помощи кабеля. Регистрирующий узел 2 состоит из расходомерного шкафа 14 с установленным программным обеспечением. Измерительный 1 и регистрирующий 2 узлы связаны между собой кабелем для обеспечения электропитания расходомера 3 от расходомерного шкафа 14 и, по меньшей мере, одним цифровым каналом передачи данных. Регистрирующий узел 2 расположен на расстоянии до двух километров от измерительного узла 1.
Ультразвуковой преобразователь расхода 10 предпочтительно выполнен в виде корпуса 15, содержащего измерительный отрезок трубы 16 с отверстиями в местах установки ультразвуковых приемопередатчиков 17, либо в виде измерительного отрезка трубы 16 с патрубками 18 для установки ультразвуковых приемопередатчиков 17. Ультразвуковой преобразователь расхода 10 содержит, по меньшей мере, четыре пары ультразвуковых приемопередатчиков 17. Ультразвуковые приемопередатчики 17 установлены в корпусе 15, либо в патрубках 18 измерительного отрезка трубы 16. Причем ультразвуковые приемопередатчики 17 установлены под углом к направлению потока, но без искажения его профиля в измерительном отрезке трубы 16. Ультразвуковые приемопередатчики 17 попарно образуют в измерительном отрезке трубы 16, по меньшей мере, четыре измерительных луча. Расположение лучей в измерительном отрезке трубы 16 может быть хордовым либо диаметральным. Угол наклона ультразвуковых приемопередатчиков 17 не влияет на точность измерений. Корпус 15 предпочтительно выполнен из углеродистой или коррозионностойкой стали, устойчивой к солевому туману и другим химическим веществам, в том числе к парам сероводорода и соляной кислоты. Ультразвуковые приемопередатчики 17 состоят из пъезоакустических преобразователей 19, установленных во втулки-держатели 20 с уплотнительными кольцами. Корпус 15 выполнен с защитой 21 от атмосферного воздействия и осадков. Защита 21 может быть выполнена в виде нескольких крышек для предохранения приемопередатчиков 17 от осадков по отдельности или попарно, или в виде кожуха для защиты всех приемопередатчиков сразу.
Электронный блок 11 в предпочтительном варианте исполнения представляет собой вычислитель расхода 12 и комплекс электронных плат 22. Причем комплекс электронных плат 22 предназначен для управления ультразвуковыми приемопередатчиками 17 и считывания данных с преобразователей температуры 4 и давления 13. Комплекс электронных плат 22 смонтирован в металлическом корпусе 23, установлен на корпусе 15 расходомера 3 и закрыт специальной крышкой 24. Крышка 24 защищает комплекс электронных плат 22 от воздействия окружающей среды уплотнительным кольцом 25. Причем крышка 24 сконструирована с возможностью выдержать внутренний взрыв без деформирования. Крышка 24 прикреплена к корпусу 15 расходомера 3 посредством винтов 26. Электронный блок 11 выполнен с разъемами 27 и 28 для подключения преобразователя температуры 4 и преобразователя давления 13. Комплекс электронных плат 22 электронного блока 11 включает: плату подключений 29, плату управления 30 плату преобразователя 31, плату барьера искрозащиты 32. Плата подключений 29 выполнена с возможностью подключения кабелей от ультразвуковых приемопередатчиков 17 к плате управления 30. Плата управления 30, содержит блок электронного коммутатора 33, вычислительно преобразовательный блок 34, аналого-цифровой преобразователь 35 и интерфейс связи 36. Плата управления 30 выполнена с возможностью управления и коммутации каналов передачи данных от ультразвуковых приемопередатчиков 17 и фильтрации шумов. Кроме того, плата управления 30 выполнена с возможностью обработки информации от платы преобразователя 31, ультразвуковых приемопередатчиков 17. Плата преобразователя 31 содержит: генератор измерительных импульсов 37, измеритель временных интервалов 38, усилитель 39. Плата преобразователя 31 выполнена с возможностью усиления аналоговых сигналов от ультразвуковых приемопередатчиков 17 и фильтрации шумов. Кроме того, плата преобразователя 31 выполнена с возможностью автоматической регулировки усиления, преобразования аналоговых измерений времени в цифровую форму и передачи данных в расходомерный шкаф 14 для дальнейшей обработки. Плата барьера искрозащиты 32 выполнена с возможностью обеспечения питанием преобразователя температуры 4 и преобразователя давления 13 через разъемы 27 и 28. Кроме того, плата барьера искрозащиты 32 выполнена с возможностью защиты искробезопасных цепей от высоковольтных разрядов и статического электричества.
Вычислитель расхода 12 в предпочтительном варианте исполнения представляет собой комплекс электронных плат 40, смонтированный во взрывонепроницаемый корпус 41. Взрывонепроницаемый корпус 41 предпочтительно выполнен из коррозионностойкого модифицированного алюминиево-кремниевого сплава, устойчивого к солевому туману и другим химическим веществам, в том числе к парам сероводорода и соляной кислоты или другого материала, например, GALSi 13. Комплекс электронных плат 40 вычислителя расхода 12 содержит по меньшей мере: плату внешних подключений 42, плату связи и питания 43, плату центрального процессорного устройства (далее ЦПУ) 44, плату индикации 45, плату модема беспроводной связи 46, устройство ввода 47, элементы управления 48, разъем 49 для установки антенны. Плата внешних подключений 42 выполнена с возможностью подключения питания (+12…+24 В) от блока питания 50 в расходомерном шкафу 14 или подключения автономного батарейного источника питания (+3,6 В). Плата связи и питания 43 с расположенным на ней блоком связи и питания 51, выполнены с возможностью обеспечения связи с расходомерным шкафом 14 и обеспечения питанием всего электронного блока 11. Плата ЦПУ 44, на которой расположен блок архива 52 выполнена с возможностью обеспечения и контроля взаимодействия цифровых блоков вычислительной части прибора, а именно электронного блока 11 с вычислителем расхода 12, а также вычисления и обработки входящей информации и также передачи информации другим устройствам. Плата индикации 45 выполнена с возможностью отображения информации через связанный с ней блок индикации 53, а также с возможностью установки и поддержки модуля Bluetooth. В качестве блока индикации 53, используют например, жидкокристаллический или сенсорный экран. Причем блок индикации 53 выполнен с возможностью отображения текущих измеренных значений, диагностики и журналов. Плата модема беспроводной связи 46 выполнена с возможностью беспроводной передачи данных, например, по стандартам GSM, GPRS, EDGE, 3G, 4G/LTE и т.п. Устройство ввода 47, выполнено, например, в виде стилуса - магнитного карандаша, предназначенного для управления данными, отображаемыми на ЖКИ. Элементы управления 48 выполнены, например, в виде клавиатуры.
В предпочтительном варианте исполнения расходомерный шкаф 14 выполнен в виде металлического корпуса 54 с возможностью крепления к вертикальной плоскости и содержит панельный компьютер 55. Панельный компьютер 55 представляет собой влагозащищенный компьютер-моноблок с установленным программным обеспечением, сенсорным экраном 56 и встроенным модемом 57. Панельный компьютер 55 выполнен с возможностью архивирования в энергонезависимой памяти и вывода на сенсорный экран 56 результатов измерений, вычислений (объема, расхода, температуры и давления) и параметров функционирования измерительной системы. Кроме того, панельный компьютер 55 выполнен с возможностью ввода и регистрации значений условно-постоянных величин; защиты от несанкционированного доступа к параметризации и архивам; разделения и ограничения напряжения и тока в искробезопасных цепях; обеспечения питания расходомера от промышленной сети или внутренней аккумуляторной батареи. Встроенный модем 57 выполнен с возможностью передачи данных по беспроводным каналам связи, например, GSM/CSD, GPRS/EDGE, 3G и т.п. Расходомерный шкаф 14 содержит также блок питания 50 и интерфейс связи 58. Блок питания 50 включает плату обеспечения искрозащиты 59 и аккумуляторные батареи (АКБ) 60. Интерфейс связи 58 находится на нижней панели корпуса 54 и состоит из внешней антенны 61 встроенного модема 57 и разъемов 62 для подключения электронного блока 11, разъемов Ethernet 63, разъемов USB 64, разъема для подключения внешних устройств 65. Также на нижней панели корпуса 54 расположены выключатель сети 220 В 66, клемма заземления 67 и индикатор 68 наличия напряжения питания 220 В. На передней панели расположены: сенсорный экран 56 панельного компьютера 55 и GSM антенна 69.
Также расходомерный шкаф 14 может быть выполнен в виде пластикового корпуса 70 с возможностью крепления к вертикальной плоскости, и содержать вместо панельного компьютера 55 регистратор 71 на базе микроконтроллера либо микропроцессора. В этом случае, на передней панели расходомерного шкафа расположены: жидкокристаллический индикатор 72, элементы управления 73 и 74, например, две клавиатуры, и светодиодная линейка 75 с индикаторами параметров питания и сети. На нижней панели расположены: слот для установки sim-карты 76; разъемы 77, 78, 79 и 80 для подключения антенны, принтера, персонального компьютера, расходомера; выключатели 81 питания от электросети и 82 от АКБ и разъемы 83 и 84 для подключения к электросети и АКБ, а также клемма 85 для заземления расходомера 3.
Программное обеспечение регистратора 71 или компьютера 55 предназначено для структурирования и хранения архивных данных в соответствующих базах. Оно совместимо с операционными системами Windows и выполнено с возможностью доступа ко всем параметрам системы, вывода информации из сохраненных архивов по измерениям и диагностике расходомера и сохранения всей архивной информации на внешних носителях.
Работает система следующим образом.
Ультразвуковой преобразователь расхода 10 с электронным блоком 11 врезают в подающий трубопровод 7 АГНКС. Причем фланцы 5 измерительного отрезка трубы 16 соединяю с фланцами 6 подающего трубопровода 7 АГНКС при помощи болтов 8. Затем соединение герметизируют при помощи прокладок 9. Далее на ультразвуковом преобразователе расхода 10 монтируют вычислитель расхода 12 и преобразователь давления 13. На подающем трубопроводе 7 АГНКС устанавливают преобразователь температуры 4. Преобразователи температуры 4 и давления 13 соединяют кабелями с электронным блоком 11. Затем электронный блок 11 соединяют с расходомерным шкафом 14 при помощи кабелей и включают питание расходомера 3 при помощи выключателя сети 66 в расходомерном шкафу 14. Если расходомерный шкаф 14 выполнен с регистратором 71, то включение питания расходомера 3 производят клавишами выключателей 81 и 82 расположенными на нижней панели расходомерного шкафа 14. Далее устанавливают настраиваемые потребителем и поставщиком газа параметры в соответствии с паспортом физико-химических показателей газа. Затем, посредствам программного алгоритма, заложенного в вычислительно-преобразовательный блок 34 платы управления 30, с помощью генератора измерительных импульсов 40 платы преобразователя 31, формируют информационный сигнал в виде измерительного звукового импульса с основной частотой в ультразвуковом диапазоне от 125 кГц до 300 кГц. После чего измерительный импульс коммутируют с помощью электронного коммутатора 33. При том обеспечивают попеременное переключение ультразвуковых передатчиков 17, в ультразвуковом преобразователе расхода 10, между режимами источника и приемника этого сигнала с частотой 10 Гц. После этого информационный сигнал через усилитель 42 передают в измеритель временных интервалов 41, где измеряют время между измерительными импульсами по потоку и против потока. Вычисление скорости потока по каждой паре ультразвуковых приемопередатчиков 17 и вычисление результирующей средней скорости потока выполняют в вычислительно преобразовательном блоке 34. Тем самым реализуют базисную формулу измерения скорости потока, с вычислением средней скорости потока по каждой паре ультразвуковых приемопередатчиков 17. От преобразователей давления 13 и температуры 4 получают параметры давления и температуры в виде аналоговых сигналов. Затем через барьер искрозащиты 32 передают в аналого-цифровой преобразователь 35. При помощи барьера искрозащиты 32 обеспечивают защиту искробезопасных цепей от высоковольтных разрядов и статического электричества, а также стабилизацию входных напряжений для питания преобразователя температуры 4 и преобразователя давления 13. В аналого-цифровом преобразователе 35 преобразуют аналоговый сигнал от преобразователей температуры 4 и давления 13 в цифровой сигнал. Затем полученный цифровой сигнал который также передают в вычислительно-преобразовательный блок 34. Далее, цифровые сигналы по параметрам, скорости, температуры и давления из вычислительно-преобразовательного блока 34 при помощи интерфейса связи 39 передают в вычислитель расхода 12, например, по протоколу UART. Затем, при помощи вычислителя расхода 12 вычисляют объемный расход газа в соответствии с методикой измерения и объемный расход газа, приведенный по параметрам давления и температуры газа к стандартным условиям. Причем под стандартными условиями понимают: Ра=0,101325 МПа, Тс=293,15 К. После этого, в блоке архива 52 формируют архив данных с суммированием за час времени объемов газа в прямом направлении (на АГНКС), в обратном направлении (от АГНКС) и результирующую действительного объема газа, поставленного на АГНКС. При помощи блока индикации 53 в составе вычислителя расхода 12 выводят текущие измеренные параметры, результаты диагностики и содержимое архивных журналов. Для управления данными, отображаемыми в блоке индикации 53, используют устройство ввода 47, например стилус и элементы управления 48, например, клавиатуру. Через блок связи и питания 51 обеспечивают связь с расходомерным шкафом 14 и питание расходомера 3. Архив данных из блока архива 52 вычислителя расхода 12 далее передают в панельный компьютер 55 или регистратор 71. С помощью программного обеспечения, установленного в панельном компьютере 55 или регистраторе 71 расходомерного шкафа 14 сохраняют данные и организуют структуру базы хранящихся в них архивных данных. Например, при обратных потоках показания по расходу газа и скорости потока будут отрицательными. При этом, накопленный реверсивный объем газа фиксируют в ячейках архива для реверсивного расхода. Изменение направления потока с прямого на обратный и наоборот фиксируют в архиве событий с указанием даты, времени и направления потока. При формировании суточных и месячных отчетов по архиву учтенных объемов газа дополнительно вычисляют разностный объем. Разностный объем представляет собой разность прямого и обратного объемов газа за отчетный период. С помощью блока питания 50, установленного в расходомерном шкафу 14, поддерживают питание электронного блока 11, вычислителя расхода 12 и ультразвукового преобразователя расхода 10 в расходомере 3, в том числе и в режиме автономного питания не менее 48 часов. Посредством интерфейса связи 58, обеспечивают обмен данными между электронным блоком 11 и блоком связи и питания 51, например, по протоколу RS485 ModBusRTU, а также связь с внешними периферийными устройствами с целью интегрирования в автоматизированные системы управления технологическими процессами верхнего уровня.
AB
BA
Методика измерения объемного расхода газа, как показано на фиг. 20, состоит в умножении средней скорости потока в прямом и обратном направлении на площадь поперечного сечения D измерительного отрезка трубы 16. Оценку направления и скорости потока производят по времени распространения звуковых волн в текущей среде по потоку и против него. С помощью ультразвуковых приемопередатчиков 17 передают ультразвуковые импульсы в пределах такого короткого интервала, что скорость звука (СЗ) идентична для обоих измерений, причем измеряют время прохождения этих импульсов. В условиях отсутствия потока время прохождения звукового импульса t по паре приемопередатчиков от А к В равно времени tпрохождения звукового импульса от В к А. Однако если поток присутствует, время прохождения звукового импульса от А до В уменьшается, а от В к А - соответственно увеличивается. При перемене направления потока соответственно время от прохождения звукового импульса от А до В увеличится, а от В к А уменьшится. Таким образом, базисные формулы метода измерения объемного расхода представляют собой:
и
где:
р
l – длина луча;
с – скорость звука;
v – средняя скорость;
ϕ – угол наклона луча;
AB
BA
t, t– время прохождения звукового импульса.
Уравнение (3) для измеренной скорости потока может быть выведено при вычитании Уравнения (2) из Уравнения (1):
Необходимо обратить внимание, что параметр скорости звука в газе сокращается из Уравнения (3). Это означает, что измерение скорости газа не зависит от свойств газа, например, давления, температуры и газового состава.
Подобным способом скорость звука может быть получена, при добавлении Уравнений (1) и (2) и перестановки слагаемых:
Отдельные измерения скорости по всем траекториям лучей объединяются математической функцией, что дает возможность оценки средней скорости:
где n - общее количество лучей.
V
Чтобы получить объемный расход газа при рабочих условиях, Q, умножают оценку средней скорости v потока на площадь S поперечного сечения измерительного отрезка трубы 16, следующим образом:
Объемный расход газа, приведенный к стандартным условиям вычисляют по формуле:
с
где K - коэффициент приведения к стандартным условиям;
3
ρ - плотность газа при рабочих условиях, кг/м;
с
ρ - плотность газа при стандартных условиях;
Р - абсолютное давление газа, МПа;
с
Р - стандартное давление газа, 0,1013 МПа;
Т - температура газа, K;
с
Т - стандартная температура газа, 293,15 K;
K - коэффициент сжимаемости газа.