ГАЗОИЗМЕРИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ПРЕИМУЩЕСТВЕННО ДЛЯ МАЛЫХ РАСХОДОВ
GAS-METERING DEVICE, PREFERABLY FOR LOW FLOW RATES

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Данное изобретение относится к области измерения потребления газа посредством датчиков расхода, в частности тепловых датчиков расхода. Оно основано на газоизмерительном устройстве, предназначенном для измерения потребления газа в соответствии с ограничительной частью пункта 1 формулы изобретения.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
В документе WO 01/96819 А1 описан газовый счетчик, который градуирован в качестве прибора для измерения энергии. Градуировка основана на значениях сигналов датчика, определяемых в зависимости от расхода градуировочного газа и хранящихся в газовом счетчике в виде градуировочной кривой датчика. Градуировочную кривую датчика, или соответственно значения сигналов датчика, умножают на коэффициент преобразования сигналов и на коэффициент теплотворной способности для исходной газовой смеси, так что полученное произведение дает потребление газа в единицах энергии. Реальное значение теплотворной способности расходуемой газовой смеси можно учесть при градуировке по меньшей мере приближенно с помощью дополнительного корректирующего множителя. В качестве действительного значения теплотворной способности может быть использовано значение теплотворной способности, измеренное и усредненное за определенный период.
В патенте США №5750892 описано устройство для измерения расхода, в котором имеется датчик расхода в обводной трубе, причем в устройстве создается протяженный ламинарный элемент потока в основном течении и имеется большое число каналов для потока, а соединения с обводной трубой лежат внутри линейного участка элемента потока. Таким образом, посредством элемента потока или обводной трубы падение давления можно поддерживать в значительной степени линейным в виде функции объемного расхода газа, так как минимизируются нелинейные составляющие, являющиеся результатом турбулентных составляющих потока во впускной и выпускной областях обводной трубы и непостоянного поперечного сечения.
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Целью данного изобретения является разработка газоизмерительного устройства, имеющего средство создания перепада давления, причем средство создания перепада давления и газовый счетчик отличаются улучшенным диапазоном измерений. В соответствии с изобретением эта цель достигается с помощью признаков пункта 1 формулы изобретения.
Изобретение заключается в газоизмерительном устройстве, предназначенном для измерения потребления газа, в частности, в частной, общественной или промышленной областях и содержащем газовый счетчик, представляющий собой КМОП-анемометр, который расположен в ответвлении к газопроводу, и средство создания перепада давления, которое расположено в газопроводе и имеет ряд каналов для потока, которые имеют типичный диаметр, причем каналы выполнены на средстве создания перепада давления в различных радиальных положениях, и те каналы для потока, радиальное положение которых находится ближе к входному отверстию обводной трубы, имеют меньший диаметр, а те каналы для потока, радиальное положение которых находится дальше от входного отверстия обводной трубы, имеют больший диаметр, при этом отношение полной длины к полному диаметру средства создания перепада давления составляет более 1. Благодаря такому газоизмерительному устройству выгодное увеличение давления для обводных труб и, следовательно, увеличение результата измерения в обводной трубе для низких расходов потока в газопроводе достигаются даже тогда, когда ветви обводной трубы, т.е. впускной и выпускной каналы, расположены случайным образом в поперечном сечении основного газопровода. Такое средство создания перепада давления обеспечивает улучшенную чувствительность измерений для малых объемных расходов потока и увеличенный диапазон измерений и поэтому особенно удобно для устройств с ламинарным потоком.
В одном варианте каналы для потока имеют диаметры, которые монотонно уменьшаются при увеличении радиального положения начиная от центральной оси средства создания перепада давления. Таким образом, достигается особенно успешная линеаризация и расширение диапазона ламинарного измерения.
В другом варианте входные и/или выходные отверстия каналов имеют углы конусности, в частности, в диапазоне 30°-90°, предпочтительней 45°-75°, особенно предпочтительно 55°-65°. Это создает уменьшенный перепад давления при высоких расходах потока, так что при высоких расходах доля турбулентного потока уменьшается.
В вариантах по п.6 и п.7 дополнительно улучшаются область ламинарного течения в основной трубе и, следовательно, линейность между объемным расходом потока в основной и обводной трубах и диапазон линейных измерений.
Дополнительные варианты выполнения, преимущества и применения изобретения вытекают из зависимых пунктов формулы изобретения, а также из приведенного ниже описания и чертежей.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг.1 является схематическим изображением в поперечном сечении геометрии газового счетчика;
фиг.2 представляет графики, на которых сравниваются относительные распределения давления для различных известных элементов создания перепада давления;
фиг.3а, 3b изображают элемент с пучком трубок для создания перепада давления согласно изобретению, который представлен на виде спереди и в поперечном сечении;
фиг.4 представляет кривые измерения значений относительного перепада давления на элементе с пучком трубок для создания перепада давления согласно изобретению и обычном элементе с пучком трубок для создания перепада давления.
На чертежах одинаковые элементы имеют одинаковые номера позиций.
ВАРИАНТЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
На фиг.1 показано газоизмерительное устройство 1, содержащее газовый счетчик 2, который расположен в измерительном канале или обводной трубе 3, и средство 4 создания перепада давления, которое находится в основной трубе 5. Обычно газовый счетчик 2 имеет тепловой датчик расхода (не показан), предназначенный для определения объема, объема при стандартных условиях или значения энергии протекающего газа. Обводная труба 3 здесь в качестве примера расположена преимущественно на боковой стенке 5а газопровода 5 и имеет в области ответвлений на боковой стенке 5а входное отверстие 3а и выходное отверстие 3b. Обводная труба 3 здесь проходит по существу параллельно газопроводу 5. Возможны также другие варианты расположения, ответвлений и форм обводной трубы 3, которые здесь не показаны. В газопроводе 5 протекает основной поток газа 6а, от которого ответвляется небольшой обводной поток газа 6b. Коэффициент ветвления, т.е. отношение объемных расходов потоков 6b и 6а в значительной степени предопределяется средством 4 создания перепада давления.
rel
rel
На фиг.2 показаны результаты сравнения относительного падения давления Δp в виде функции объемного расхода или объемной скорости течения потока dV/dt для разных средств 4 создания перепада давления, которые известны в настоящее время, а именно для тонкостенной сотовой конструкции 4а, пучка 4b трубок или расходомера 4с Вентури. Сотовая конструкция 4а имеет очень хорошую линейность роста давления в виде функции основного объемного потока 6а. Неблагоприятным является то, что максимально достижимые перепады давления слишком малы, чтобы создать достаточный поток 6b в обводной трубе 3. Расходомер 4с Вентури имеет в целом слишком малую область с ламинарным течением потока и, соответственно, линейным ростом давления и линейным коэффициентом ветвления объемных расходов газа 6b и 6а. Средство 4b с пучком трубок для создания перепада давления имеет ряд каналов 40, которые обычно являются круглыми и расположены так, что проходят вдоль основной трубы 5 и параллельны друг другу. Обычные средства 4b с пучком трубок для создания перепада давления также страдают от упомянутых выше недостатков. Как видно из фиг.2, линейность, конечно, лучше, чем в случае расходомера 4с Вентури, но перепад давления Δp для малых объемных потоков 6а слишком мал.
1
2
На фиг.3а, 3b показан вариант средства 4b для создания перепада давления с пучком трубок согласно изобретению. Каналы 40 для потока на средстве 4 для создания перепада давления выполнены в различных радиальных положениях R, R,
3
1
n
1
4
1
m
R или, в общем случае, R,…,R, где n - целочисленный индекс, и имеют типичный диаметр D,…,D, или, в общем случае, D,…,D, где m - целочисленный индекс, и, в частности, круглое поперечное сечение. Предпочтительней, если m находится между 2 и 6 или 3 и 5 или m=4.
1
1
2
3
3
4
1
2
3
4
1
m
1
2
3
1
n
1
n
1
m
1
n
1
m
Согласно данному изобретению те каналы 40 для потока, которые расположены на средстве 4 создания перепада давления ближе к радиальному положению R, находящемуся вблизи центра, имеют больший диаметр D, D, а те каналы 40 для потока, которые расположены на средстве 4 создания перепада давления ближе к радиальному положению R, находящемуся вблизи периметра, имеет меньший диаметр D, D. Предпочтительней, если диаметры каналов 40 D>D>D>D или, в общем случае, D>…>D начиная от центральной оси А средства 4 создания перепада давления или соответственно газопровода 5 уменьшаются непрерывно, когда радиальная координата R<R<R или, в общем случае, R<…<R возрастает. В целом, если ответвления 3а, 3b обводной трубы, т.е. входное и выходное отверстия 3а, 3b, расположены в основной трубе 5 в случайных радиальных положениях R, то согласно изобретению те каналы 40, радиальное положение R,…,R которых лежит ближе к входному отверстию 3а обводной трубы 3, должны иметь меньший диаметр D,…,D, а те каналы 40, радиальное положение R,…,R которых лежит дальше от входного отверстия 3а обводной трубы, должны иметь меньший диаметр D,…,D.
1
2
3
4
1
2
3
4
1
4
1
2
3
4
rel
3
4
1
2
1
2
На фиг.4 представлено сравнение зависимостей относительного перепада давления обычного средства создания перепада давления с пучком трубок, в которых D=D=D=D (8b), и средства создания перепада давления по данному изобретению, в котором D≥D≥D≥D (8a). Видно, что при изменении диаметра отверстия D,…,D в соответствии сданным изобретением, а именно увеличении входных отверстий D, D вблизи центра и/или уменьшении входных отверстий D, D, которые расположены по периметру и удалены от центра, относительный перепад давления Δp для малых значений 6а объемного расхода потока увеличивается, и поэтому весь диапазон измерений в значительной степени линеаризуется. Причина этого полезного эффекта согласно изобретению состоит в том, что в случае ламинарного потока 6а диаметры D, D отверстий, лежащих вблизи обводной трубы 3, оказывают на общее падение давления Δр более сильное влияние, чем диаметры D, D отверстий вблизи центра Z средства 4 создания перепада давления или газопровода 5. В экспериментах для средств 4 создания перепада давления максимально достижимое падение давления Δр=p-p составляло 2 мбар. В целом была получена большая область ламинарного течения и расширенной линейности коэффициента ветвления объемных расходов 6b и 6а без ограничения верхнего предела измерений.
rel
Предпочтительней, если входные отверстия 41 и/или выходные отверстия 42 каналов 40 согласно фиг.3 имеют углы α конусности в диапазоне 30°-90°, предпочтительней 45°-75°, особенно предпочтительно 55°-65°. Это вызывает уменьшенный перепад давлений для высоких объемных расходов dV/dt и, таким образом, поддерживает линеаризацию диапазона измерений для большого объемного расхода 6а. Именно конусность подавляет условия возникновения частично турбулентного потока при высоких расходах dV/dt (переходная область). Так как за счет средства 4 создания перепада давления перепад давления Δр возрастает для турбулентной составляющей потока пропорционально квадрату скорости или объемному расходу 6а dV/dt, то результатом является уменьшенный перепад давления Δр или Δp при высоких объемных расходах 6а. При отверстиях 41 и/или 42, имеющих конусность, достигается уменьшение турбулентной составляющей потока с большим числом Рейнольдса при высоких значениях расхода потока.
0
0
1
2
1
m
1
m
Предпочтительней, если для дополнительного улучшения ламинарности объемного расхода 6а отношение общей длины L к полному диаметру D средства 4 создания перепада давления выбрано больше 1, предпочтительней 1,3 и особенно предпочтительно 1,5. Таким образом, улучшается образование ламинарного трения в каждом канале 40 для потока, а относительная доля турбулентного потока снижается. Чем больше отношение L/D общей длины к общему диаметру, тем более линейной является связь между объемным расходом 6а через газопровод и перепадом давления Δр=p-р, создаваемым средством 4 создания перепада давления, который в свою очередь пропорционален объемному расходу 6b через обводную трубу 3 и газовый счетчик 2 или его тепловой датчик потока. Предпочтительней, если каналы 40 для потока имеют круглое поперечное сечение с типичным диаметром D,…,D, являющимся диаметром D,…,D входных отверстий 41 каналов 40. Предпочтительней также, если каналы 40 имеют постоянное поперечное сечение потока по всей длине L средства 4 создания перепада давления.
В варианте выполнения, показанном на фиг.3а и фиг.3b, каналы 40 для потока расположены на равном расстоянии на концентрических окружностях 7 по площади поперечного сечения Q средства 4 создания перепада давления. Площадь поперечного сечения Q средства 4 создания перепада давления может иметь коэффициент заполнения в диапазоне 0,3…0,8, предпочтительней 0,3…0,6, в частности 0,4…0,5.
1
2
1
m
В дополнительном аспекте изобретение относится к газоизмерительному устройству 1, предназначенному для измерения потребления газа, в частности, в домашнем хозяйстве и содержащему газовый счетчик 2 в обводной трубе 3 и упомянутое выше средство 4 создания перепада давления в газопроводе 5. Здесь длину L' линейного участка обводной трубы 3 следует выбирать так, чтобы она превышала полную длину L средства 4 создания перепада давления или была равна ей, а средство 4 создания перепада давления следует располагать в газопроводе 5 между входным отверстием 3а и выходным отверстием 3b обводной трубы 3. Подходящим является центральное расположение средства 4 создания перепада давления между отверстиями 3а, 3b обводной трубы. Таким образом обеспечивается преобладание в обводной трубе 3 только перепада давления Δр=р-р, определяемого средством 4 создания перепада давления. Благодаря выполненной по данному изобретению конструкции средства 4 создания перепада давления, а именно уменьшенным диаметрам D,…,D каналов 40 для потока вблизи входного и выходного отверстий 41 обводной трубы 3, профиль потока так модифицирован по поперечному сечению Q средства 4 создания перепада давления или газопровода 5, что при малых объемных расходах 6а потока в обводной трубе преобладает сверхпропорционально увеличенная разность давлений Δр.
В предпочтительном варианте газовый счетчик 2 имеет тепловой датчик потока, в частности, КМОП-анемометр, с нагревательной проволокой и по меньшей мере одним датчиком температуры, расположенным выше и/или ниже по потоку. В частности, газовый счетчик 2 может иметь средство для градуировки потребления газа в единицах объема при стандартных условиях, например литр/минута (л/мин), и/или единицах энергии, например кВтч. Это описано подробно в документе WO 01/96819, который полностью включен в это описание посредством ссылки.
Перечень обозначений
1 Газоизмерительное устройство
2 Газовый счетчик с тепловым датчиком расхода, газовый счетчик с датчиком на КМОП-микросхеме
3 Обводная труба
3а Входное отверстие обводной трубы
3b Выходное отверстие обводной трубы
4 Средство создания перепада давления
40 Каналы для потока, малые трубки
41 Входные отверстия
42 Выходные отверстия
4а Сотовая структура
4b Пучок трубок
4с Расходомер Вентури
5 Канал для потока, труба, основная труба
5а Боковая стенка в основной трубе
6а Объемный расход в основной трубе
6b Объемный расход в обводной трубе
7 Концентрические окружности
8а, 8b Кривые относительного перепада давления
α Угол конусности
А Центральная ось
0
D Общий диаметр
1
4
D,…,D Диаметр трубок
L Длина средства создания перепада давления
L' Длина линейного участка обводной трубы
1
2
p, p Давления перед средством создания перепада давления и после него
rel
Δр Относительный перепад давления
Q Площадь поперечного сечения
r Радиус
1
3
R,…,R Радиальные положения
U Положение на окружности
dV/dt Объемный расход
Z Центр средства создания перепада давления, центральное радиальное положение