ИЗМЕРИТЕЛЬ КОЛИЧЕСТВА ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ И СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЛИЧЕСТВА ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ
METER OF FLUID MEDIUM QUANTITY AND METHOD TO DETERMINE QUANTITY OF FLUID MEDIUM

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к измерителям количества текучей среды, а также к способу определения количества текучей среды. Изобретение может быть использовано для уменьшения погрешности тахометрических преобразователей при измерении количества текучих сред, прошедших через них.
Тахометрический способ определения расхода текучей среды, которая проходит через измеритель, в целом основан на принципе измерения скорости вращения подвижного элемента, который вращается под действием текучей среды. Использование подвижного элемента как чувствительного позволяет значительно упростить конструкцию измерителя, снизить расходы на техническое обслуживание, а также упростить требования по установке таких измерителей в системы подачи текучих сред. Однако при всех вышеперечисленных преимуществах остается ряд существенный недостатков, таких как: чувствительность подвижного элемента к качеству и вязкости протекающей среды, изменение чувствительности подвижного элемента при потоке с малым расходом, а также относительно высокий уровень погрешности для таких измерений.
Например, в соответствии с нормативными документами, в верхнем диапазоне расходов допустимая погрешность измерения составляет 2% для счетчиков холодной воды и 3% для счетчиков горячей воды. В нижнем диапазоне расходов допустимая погрешность измерения составляет 5%. В диапазоне расходов от порога чувствительности до минимального расхода допустимая погрешность не нормируется.
Описанные выше особенности тахометрических способов определения объемов текучих сред обусловили необходимость разработки новых более точных устройств и способов определения количества текучих сред.
Известен способ определения расхода и количества текучей среды, который реализуется тахометрическими средствами измерений [П.П.Кремлевский. Расходомеры и счетчики количества. Справочник. 4-е издание, перераб. и доп. -Л.: Машиностроение. Ленингр. отделение, 1989. - 701 с.]. Способ основан на тахометрическом принципе, при котором протекающая текучая среда воздействует на скорость вращения подвижного элемента типа турбины или крыльчатки. Скорость движения подвижного элемента пропорциональна объемному расходу текучей среды.
При этом средства измерения оснащены тахометрическим преобразователем, вырабатывающим измерительный сигнал (импульс), частота которого пропорциональна скорости движения подвижного элемента. Таким образом, подсчитывая количество импульсов, определяют количество прошедшей через измеритель текучей среды.
Особенностью таких средств измерений является то, что на малых расходах текучей среды цена одного импульса тахометрического преобразователя больше, чем в некотором установившемся режиме, когда цена одного импульса уже не зависит от расхода текучей среды.
Под ценой следует понимать протекшее количество текучей среды, соответствующее одному импульсу тахометрического преобразователя. Изменение цены в зависимости от расхода текучей среды носит нелинейный характер. Цена постепенно уменьшается от некоторого значения при расходе, соответствующем порогу чувствительности (когда подвижный элемент начинает устойчиво вращаться) до переходного расхода (когда цена одного оборота уже не зависит от расхода текучей среды).
Однако использование данного способа подразумевает, что при расчете протекшего через тахометрическое средство измерения объема текучей среды будет учитываться только цена импульса, соответствующая интервалу от переходного до максимального расхода. Это приводит к значительной погрешности измерений при малых расходах текучей среды.
i
Ближайшим аналогом, выбранным в качестве прототипа, является решение, описанное в патенте РФ №2458196, в котором заявлено устройство - турбинный расходомер, и способ определения количества жидкости. Способ направлен на определение количества текучей среды, проходящей через турбинный измеритель, содержащий ротор с лопатками и контроллер для непрерывной регистрации импульса в момент времени T, генерируемого за каждый полный оборот ротора. Способ включает стадии, на которых:
i
i
i-1
(а) измеряют интервалы времени ΔT=(T-T), проходящие между последовательными импульсами;
i
i
i
i-1
(б) определяют величину расхода FR, соответствующую каждому из указанных интервалов ΔT=(T-T), на основе экспериментальной калибровочной нелинейной аналитической функции, которая корректирует изменение расхода предварительно выбранной текучей среды с изменением интервала времени между последовательными импульсами турбинного измерителя;
i
i
i
i
i
i-1
(в) вычисляют дискретное количество текучей среды V=T·FR, которое протекает в течение каждого из указанных интервалов времени ΔT=(T-T) между последовательными импульсами;
t
i
i
(г) вычисляют общее количество текучей среды V=ΣV, протекающей через измеритель.
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
При этом на этапе (б) создают калибровочный массив, образованный из равностоящих периодов времени Δp и соответствующих величин расходов v, вычисленных путем ввода указанных равностоящих периодов времени в экспериментальную калибровочную нелинейную аналитическую функцию. После чего сравнивают каждый интервал времени ΔT, измеренный между последовательными импульсами T, с равноотстоящими периодами времени Δpкалибровочного массива для определения, между какими из периодов расположен измеренный интервал времени. Следующим этапом осуществляют линейную интерполяцию между величинами расходов v, соответствующими равноотстоящими периодами времени Δp калибровочного массива данных, между которыми расположены равноотстоящие периоды времени ΔT, с учетом определения фактического расхода FR, соответствующего измеренному интервалу времени ΔT.
К недостаткам описанного способа следует отнести необходимость проведения вычислений на каждом интервале времени, что значительно увеличивает обрабатываемый массив обрабатываемых данных и, соответственно, нагрузку на контроллер. При этом использование для определения количества протекшей текучей среды интервалов времени, величина которых может быть значительно малой, приводит к необходимости математического учета ряда малых величин, которые при достижении определенного знака после запятой перестают учитываться для уменьшения нагрузки на вычислительный процессор/контроллер, что приводит к накоплению систематической ошибки и, соответственно, погрешности расчетов.
i
i
i
i-1
i
i
i
i-1
i
i
i
i
i
i-1
Описанное в патенте устройство - измеритель расхода, представляет собой турбинный расходомер, содержащий ротор с лопатками и контроллер для непрерывной регистрации импульсных сигналов, генерируемых в моменты времени T за каждый полный оборот ротора, и определения количества текущей среды, протекающей через измеритель. При этом контроллер выполнен с возможностью измерения интервалов времени ΔT=(T-T), проходящих между последовательными импульсами для определения величины расхода FR, соответствующей каждому из указанных интервалов ΔT=(T-T), на основе экспериментальной калибровочной нелинейной аналитической функции. Функция корректирует изменение расхода предварительно выбранной текучей среды с изменением интервала времени между последовательными импульсами измерителя. Также контроллер выполнен с возможностью вычисления дискретного количества текучей среды V=T·FR, которая протекает в течение каждого из указанных интервалов времени ΔT=(T-T) между последовательными импульсами.
К недостаткам описанного решения следует отнести использование для определения количества протекшей текучей среды интервалов времени, величина которых может быть значительно малой, что приводит к необходимости математического учета ряда малых величин, которые при достижении определенного знака после запятой перестают учитываться для уменьшения нагрузки на вычислительный процессор. Поскольку прекращается учет ряда значений, то при подсчете расхода/количества текучей среды накапливается систематическая погрешность. Также при подобных вычислениях идет высокая нагрузка на контроллер, что может приводить к повышению времени обработки данных. Следует отметить, что наличие таймера также приводит к усложнению конструкции контроллера и к повышению стоимости производства такого контроллера.
В основу изобретения поставлена задача разработать измеритель количества протекшей текучей среды, конструкция которого позволит обеспечить повышение точности измерения, а также повышение точности измерения количества текучей среды при переходных процессах, таких как начало прохода текучей среды и завершение прохода. Повышение точности измерителя будет достигнуто за счет учета корректировочных величин, которые будут определены для каждого вида текучей среды. При этом конструкция измерителя не будет содержать таймера, что позволить исключить измерение малых отрезков времени и последующий расчет, основанный на малых величинах, что в свою очередь позволит повысить скорость расчетов и, соответственно, скорость работы измерителя.
Также в основу изобретения поставлена задача разработать способ определения количества текучей среды с использованием измерителя, который позволит повысить точность измерения количества протекшей текучей среды за счет обеспечения использования корректировочных коэффициентов, определяемых для каждого типа текучей среды. Также точность измерения по способу будет обеспечена за счет исключения из расчета интервалов времени, значение которых может быть малым. При этом также разработанный способ позволит уменьшить количество расчетных операций от момента снятия показаний до момента вывода результатов измерений, что позволить уменьшить расчетную погрешность на каждом этапе, за счет чего снизить расчетные погрешности в целом.
t
t
t
t
t
Поставленная задача решается тем, что разработан измеритель количества текучей среды, содержащий контроллер, тахометрический преобразователь, соединенный с контроллером, регистрирующим и подсчитывающим импульсы тахометрического преобразователя, а также определяющим количество протекшей текучей среды через измеритель, при этом содержит тактовый генератор, соединенный с контроллером, где контроллер выполнен с возможностью определения количества импульсов тактового генератора N между последовательными импульсами тахометрического преобразователя, определения весового коэффициента W(N), соответствующего текущему значению количества импульсов тактового генератора N, и корректирования количества импульсов тахометрического преобразователя на весовой коэффициент W(N). Благодаря такому исполнению изобретения достигается следующий технический результат: повышение точности измерения количества текучей среды за счет учета корректировочной величины - весового коэффициента W(N), а исключение из конструкции измерителя таймера времени исключает необходимость подсчета малых величин, что обеспечивает повышение скорости и точности работы измерителя.
t
t
t
Корректирование количества импульсов тахометрического преобразователя на весовой коэффициент W(N) заключается в суммировании весового коэффициента W(N) к количеству импульсов тахометрического преобразователю. При этом значение весового коэффициента W(N) представляет собой целое число с положительным значением, то есть значение весового коэффициента не может быть отрицательным.
Тактовый генератор генерирует импульсы заданной частоты. Частоту тактового генератора выбирают такой, чтобы она была больше частоты импульсов тахометрического преобразователя при максимальном расходе текучей среды, на котором требуется корректировка, например, переходный расход.
t
t
t
t
t
t
t
t
t
max
max
max
max
Контроллер выполнен с возможностью сравнения количества импульсов тактового генератора N с заданным максимальным значением N . Таким образом, контроллер обеспечивает работу логического цикла, направленного на отслеживание момента остановки потока текучей среды. При каждом появлении импульса тактового генератора, контроллер производит сравнение, когда значение N<N  количество импульсов тактового генератора Nувеличивают на 1, когда значение N  ≤ N контроллер может отключить тактовый генератор и включить его при возникновении следующего импульса тахометрического преобразователя. Контроллер также может установить значение, соответствующее количеству импульсов тактового генератора N, равным заданному начальному значению. Преимущественно заданное начальное значение равно нулю, а значение N  выбирают таким, чтобы оно было не меньше количества импульсов тактового генератора между последовательными импульсами тахометрического преобразователя при минимальном расходе текучей среды, на котором требуется корректировка, например, порог чувствительности.
Очевидно, что контроллер содержит вычислительный модуль и модуль памяти. Вычислительный модуль включает в себя процессор, который производит все расчетные операции.
Тахометрический преобразователь представляет собой датчик изменения магнитного поля. На одной оси с подвижным элементом, вращающимся под действием текучей среды, закреплен постоянный магнит. Вблизи области вращения магнита расположен датчик изменения магнитного поля, который передает контроллеру сигнал (импульс) каждый раз, когда изменение магнитного поля, воздействующего на датчик, превышает пороговое значение, в том числе учитывается изменение направления магнитного поля.
Целесообразно исполнение измерителя, который содержит выводы для подключения к калибровочному устройству. Благодаря возможности подключения к калибровочному устройству обеспечена возможность подстройки измерителя для каждого типа текучей среды, а также в зависимости от необходимых условий эксплуатации. Это позволяет значительно расширить область применения заявляемого измерителя количества текучей среды.
t
Весовой коэффициент W(N) определяют в зависимости от количества импульсов тактового генератора в данный момент времени на основе данных калибровки устройства для каждого конкретного случая.
t
t
t
t
t
Также поставленная задача решается тем, что разработан способ определения количества текучей среды с использованием измерителя, описанного выше, который включает регистрацию импульса тахометрического преобразователя, подсчет импульсов тахометрического преобразователя и определение количества текучей среды, которая прошла через измеритель количества текучей среды, при этом перед определением количества текучей среды, определяют количество импульсов тактового генератора N между последовательными импульсами тахометрического преобразователя и определяют весовой коэффициент W(N) импульса тахометрического преобразователя, соответствующий текущему значению количества импульсов тактового генератора N, затем корректируют количество импульсов тахометрического преобразователя на весовой коэффициент W(N). Благодаря такой последовательности действий достигается следующий технический результат: повышение точности измерения протекшего количества текучей среды за счет учета корректировочной величины - весового коэффициента W(N), также уменьшает количество расчетных операций от момента снятия показаний до момента вывода результатов измерений, что уменьшает расчетную погрешность на каждом этапе и снижает расчетные погрешности в целом.
t
Весовой коэффициент W(N) определяют в зависимости от количества импульсов тактового генератора в данный момент времени на основе данных калибровки устройства для каждого конкретного случая.
t
t
t
Корректирование количества импульсов тахометрического преобразователя на весовой коэффициент W(N) заключается в суммировании весового коэффициента W(N) к количеству импульсов тахометрического преобразователю. При этом значение весового коэффициента W(N) представляет собой целое число с положительным значением, то есть значение весового коэффициента не может быть отрицательным.
t
t
Перед определением весового коэффициента W(N) импульса тахометрического преобразователя, соответствующего текущему значению количества импульсов тактового генератора N, производят аппроксимацию табличных значений весового коэффициента W(n). Табличные значения весового коэффициента W(n) определяют при калибровке.
Калибровка включает этапы, на которых проводят по меньшей мере одно измерение объема V протекшей текучей среды, измерение количества импульсов тактового генератора и тахометрического преобразователя при заданном количестве текучей среды, после чего определяют среднее количество импульсов тактового генератора n между импульсами тахометрического преобразователя, а также средний объем v текучей среды, соответствующий одному импульсу тахометрического преобразователя, затем аппроксимируют зависимость v(n) и определяют зависимость W(n). Зависимость v(n) нелинейная, ее вид зависит от конструкции устройства, которым производят измерения, а также от его характеристик, от конструкции подвижного элемента, который регистрирует показания и от типа тахометрического преобразователя. При калибровке, в случае если проведено несколько измерений, аппроксимация может быть линейной. Следует отметить, что значение W(n) вычисляют при каждом измерении во время калибровки. Благодаря калибровке обеспечивается возможность применения заявляемого способа для любой текучей среды, при этом заявляемый способ является эффективным для любых условий эксплуатации.
При калибровке после определения значений W(n), если значения W(n) не целые, то дополнительно вводят корректировочный коэффициент k, на который умножают значения W(n), для того чтобы исключить дробные величины. Таким образом, обеспечено повышение точности расчета количества текучей среды за счет исключения суммирования малых величин. При этом исключена необходимость учитывать знаки после запятой, что позволяет снизить нагрузку на контроллер.
Очевидно, что для определения количества протекшей текучей среды количество импульсов тахометрического преобразователя делят на коэффициент k, определенный при калибровке.
t
t
t
t
t
max
max
При определении количества импульсов тактового генератора Nпроизводят сравнение количества импульсов тактового генератора N с заданным максимальным значением N . Когда значение N<N , то увеличивают количество импульсов тактового генератора на 1, иначе отключают тактовый генератор. Таким образом, обеспечена работа логического цикла, направленного на отслеживание момента остановки потока текучей среды, что позволяет уменьшить погрешность определения количества текучей среды при переходных процессах, таких как, например, завершение подачи текучей среды.
Далее приведен способ реализации заявляемого изобретения.
t
.
t
max
max
Предварительно, перед началом работы измерителя производят его калибровку, для чего измеритель подключают к калибровочному устройству. Затем проводят по меньшей мере одно измерение объема V текучей среды прошедшей через измеритель, количества импульсов тактового генератора n между импульсами тахометрического преобразователя и количество импульсов тахометрического преобразователя m. Для каждого измерения вычисляют среднее значение v текучей среды, соответствующее одному импульсу тахометрического преобразователя и определяют зависимость v(n). Аппроксимируют зависимость v(n) и определяют зависимость W(n). На основании значений W(n) определяют корректировочный коэффициент k, на который умножают значения W(n) для получения целых чисел. Все определенные данные сохраняют в памяти контроллера. Также в память контроллера записываются данные о N   Значение N  выбирают таким, чтобы оно было не меньше количества импульсов тактового генератора между последовательными импульсами тахометрического преобразователя при минимальном расходе текучей среды, на котором требуется корректировка, например, порог чувствительности. После калибровки измеритель готов к эксплуатации.
t
t
t
t
t
t
t
t
max
max
max
Во время работы измерителя при каждом появлении импульса тактового генератора производят сравнение количества импульсов тактового генератора Nс N . Если N<N , то увеличивают количество импульсов тактового генератора на 1. При появлении импульса тахометрического преобразователя контроллер корректирует количество импульсов тахометрического преобразователя на весовой коэффициент W(N), соответствующий текущему значению количества импульсов тактового генератора. После этого контроллер устанавливает количество импульсов тактового генератора Nравным заданному начальному значению. Цикл повторяется до момента, когда N  ≤ N, после чего контроллер отключает тактовый генератор и включает его при возникновении следующего импульса тахометрического преобразователя.
Ниже представлен пример расчета.
При калибровке определили следующие результаты измерений:
№
Объем протекшей воды, л
Количество импульсов тахометрического преобразователя, m
Количество импульсов тактового генератора, n
1
2,910
123
0
2
2,982
127
127
3
3,044
127
254
Затем производят расчет среднего количества импульсов тактового генератора между импульсами тахометрического преобразователя и расчет среднего прошедшего объема воды:
№
n
v
1
0
0,02366
2
1
0,02348
3
2
0,02397
После чего производят аппроксимацию зависимости v(n) и подбирают корректировочный коэффициент. На основании приведенных выше значений функции v(n) видно, что предпочтительным значением корректировочного коэффициента является k=100000. Весовые значения функции приведены далее:
n
W
0
2366
1
2348
2
2397
Полученные в таблице данные записывают в память контроллера.
Контроллер получает независимые друг от друга импульсы от тактового генератора и тахометрического преобразователя. Когда поступает импульс тахометрического преобразователя, контроллер находит в таблице значение весовой функции W, соответствующее количеству импульсов тактового генератора с момента предыдущего импульса тахометрического преобразователя. Найденное значение W контроллер прибавляет к количеству импульсов тахометрического преобразователя.
Таким образом, разработан измеритель количества протекшей текучей среды, конструкция которого позволяет обеспечить повышение точности измерения, а также повышение точности измерения количества текучей среды при переходных процессах, таких как начало прохода текучей среды и завершение прохода. Повышение точности измерителя достигнуто за счет учета корректировочных величин, которые определены для каждого вида текучей среды. При этом конструкция измерителя не содержит таймера, что позволяет исключить измерение малых отрезков времени и последующий расчет, основанный на малых величинах, что в свою очередь позволяет повысить скорость расчетов и соответственно скорость работы измерителя.
Также разработан способ определения количества текучей среды с использованием измерителя, который позволяет повысить точность измерения количества протекшей текучей среды за счет обеспечения использования корректировочных коэффициентов, определяемых для каждого типа текучей среды. Также точность измерения по способу обеспечена за счет исключения из расчета интервалов времени, значение которых может быть малым. Также разработанный способ позволяет уменьшить количество расчетных операций от момента снятия показаний до момента вывода результатов измерений, что позволяет уменьшить расчетную погрешность на каждом этапе, за счет чего снизить расчетные погрешности в целом.