РАСХОДОМЕРНАЯ ВЕСОВАЯ УСТАНОВКА

Полезная модель относится к области расходоизмерительной техники и предназначена для точного измерения массового расхода газа посредством определения количества газа путем взвешивания газа, перепускаемого с постоянным расходом в гидростатически уравновешенный газосборный сосуд в течение измеряемого интервала времени.
Известны конструкции расходомерных установок и испытательных стендов, предназначенных для градуировки, калибровки и поверки расходомеров, а также используемых при проведении научных исследований и экспериментов, в которых применяется принцип определения расхода по результатам измерений количества газа, перепущенного в измерительный сосуд или истекающего из него в течение измеряемого интервала времени.
Например, в эталонной расходомерной установке Национального Бюро Стандартов (США) [Ruegg F.W., Shafer M.R. Flow Measurement Procedures and Facilities at National Bureau of Standard. - Amer. Sosiety of Heating. Refrigandair-Cond. Engineers. New Jork, 1972, 1-18] реализован P-T-V-метод определения расхода.
Основным элементом установки является калиброванный по объему сосуд, снабженный устройствами для перемешивания газа, измерителями температуры и давления, а также измерителем интервала времени. Подача газа в сосуд, осуществляется через критическое сопло, обеспечивающее постоянство и независимость расхода от условий вниз по потоку, а именно - от переходных процессов, возникающих при переключениях отсечного клапана, и от величины противодавления, возрастающего по мере заполнения сосуда. Масса газа в сосуде определяется по результатам измерения плотности газа, рассчитываемой по уравнению состояния, исходя из известного объема газосборного сосуда.
Известна схема эталонной установки фирмы Gazde France (Франция) [Castillon Philippe. Mise au point d′un etalon de debit constitue detuyeres en regime sonique. - Ass. Techn. de L′Ind. Du Gas er France, Congress, 1970, 35], реализующей ρ-V-метод определения расхода.
Установка, так же как предыдущая, содержит газосборный сосуд, размещенный наряду с основными коммуникациями в бассейне с циркулирующей через него водой с целью термостабилизации потока газа, стенок проточных каналов и газосборного сосуда. Плотность газа либо может быть измерена плотномером, либо рассчитана по уравнению состояния по измеренным величинам давления и температуры.
В данных установках реализуется косвенный метод измерения массового расхода газа, расщитываемого по уравнениям состояния, вследствие чего отличающийся от реального расхода из-за различных погрешностей при замерах исходных величин. Поэтому наиболее высокая точность измерений обеспечивается в установках весового или гравиметрического типа, поскольку в них реализуется абсолютный метод, заключающийся в измерении массы газа и времени протекания этой массы через контрольное сечение потока.
Наиболее близкой по технической сущности и взятой в качестве прототипа к заявляемой полезной моделе является «Весовая испытательная установка для статической градуировки газовых расходомеров» авторов К.К. Бокова, Ю.Ф. Мишина, В.С. Симакина, Авторское свидетельство №329400, опубликованное в Б.И. 1972 г. №7, в состав которой входит система подачи и стабилизации расхода газа, включающая батарею баллонов, трубопроводы, редуктор, испытательный участок с градуируемым расходомером, переключатель потока газа, весоизмерительное устройство, а также средства измерения и регистрации интервала времени, давления и температуры. Основным элементом установки является газосборный сосуд, заключенный в кожух, который размещен внутри теплоизолированного бака, заполненного жидкостью. Внутренний газосборный сосуд вместе с кожухом подвешен к весам. При этом размеры бака и сосуда, размещенного в баке, согласованы между собой таким образом, что отношение площадей горловин бака и кожуха газосборного сосуда в сечении, совпадающем с поверхностью жидкости, пропорционально отношению объема бака и кожуха по смачиваемым жидкостью контурам, что приводит к неизменности архимедовой выталкивающей силы, действующей на сосуд при его перемещении в вертикальном направлении.
Недостатком данной схемы является большая масса подвижной части весоизмерительного узла и обусловленная этим инерционность системы, возможность теплообмена между газом, находящимся в газоприемном резервуаре, и весокомпенсирующей жидкостью, что приводит к погрешностям измерения, а значит низкой точности измерений, а также технологической сложности конструкции, трудности монтажа и доступа к резервуару высокого давления в процессе его технического обслуживания.
Решаемой задачей полезной модели является повышение точности измерений за счет упрощения конструкции с одновременны снижением погрешности измерений.
Техническим результатом предполагаемой полезной модели является создание эффективной расходомерной установки путем упрощения конструкции и повышения точности измерений.
Технический результат достигается тем, что в расходомерной весоизмерительной установке, включающей измерительно вычислительный комплекс, измерительный участок с критическим соплом, обеспечивающим постоянство расхода газа, переключатель потока, представляющий собой отсечной электромагнитный клапан, газосборный сосуд, подвешенный вместе с элементами подвижной системы весоизмерительного узла к прецизионному весоизмерительному устройству, введена система гидростатической компенсации веса, выполненная в виде понтона, погруженного в бак с жидкостью, причем подвижная часть весоизмерительного узла выполнена из двух, связанных между собой посредством стоек и коромысла и изолированных друг от друга, разнесенных емкостей, газосборного сосуда и понтона, объем которого равен действующей на него со стороны жидкости выталкивающей силе, уравновешивающей массу незаполненного газом сосуда и конструктивных элементов подвижной части весоизмерительного узла, а также системы вакуумирования газосборного сосуда, состоящей из вакуумного насоса с ручным запорным краном, вакуумметром и гибким шлангом.
Сущность полезной модели поясняется чертежами:
На фиг. 1 - показан общий вид установки, где:
1 - измерительный участок
2 - критическое сопло
3 - газосборный сосуд
4 - переключатель потока
5 - весоизмерительный узел
6 - понтон
7 - бак
8 - стойки
9 - коромысло
10 - тяга
11 - прецизионное весоизмерительное устройство (весы)
12 - измерительно-вычислительный комплекс
13 - вакуумный насос
14 - ручной запорный кран
15 - вакуумметр
16 - гибкий шланг
17 - рама
Конструкция и состав установки обеспечивают воспроизведение и измерение массового расхода газа абсолютным методом, основанным на уравнении, математически выражающем понятие производной физической величины, а именно - массового расхода газа, которое определяется как масса газа, протекающего через контрольное сечение потока в единицу времени. В качестве рабочей среды используется атмосферный воздух из помещения, в котором размещена установка. На измерительном участке 1 устанавливается калибруемое или поверяемое средство измерений, а именно, критическое сопло 2, которое обеспечивает постоянство расхода при заполнении газосборного сосуда 3, и переключатель потока 4, представляющий собой отсечной электромагнитный клапан, служащий для быстрого открытия проходного сечения трубопровода при заполнении газосборного сосуда рабочей средой в начале перепуска, его закрытия при прекращении перепуска и формирования команд на измерение времени открытого состояния клапана. Для повышения точности измерения массы перепущенного в газосборный сосуд воздуха весоизмерительный узел 5 снабжен системой гидростатической компенсации суммарной массы незаполненного воздухом газосборного сосуда и других конструктивных элементов подвижной системы. Система гидростатической компенсации выполнена в виде понтона 6, погруженного в заполненный жидкостью бак 7 и связанного, посредством стоек 8 и коромысла 9, с газосборным сосудом 3 и другими конструктивными элементами подвижной системы весоизмерительного узла, подвешенного с помощью тяги 10 на крюк прецизионных весов 11, что дает возможность оптимального согласования диапазона измерений используемых весов с измеряемой массой газа. Сигналы с переключателя потока 4 и весов 11 передаются на измерительно-вычислительный комплекс 12, укомплектованный средствами измерений времени, давления, температуры и влажности рабочей среды, а также компьютером с необходимыми элементами сопряжения. Кроме того установка содержит систему вакуумирования газосборного сосуда 3, состоящую из вакуумного насоса 13, ручного запорного крана 14, установленного на газосборном сосуде 3, вакуумметра 15 и гибкого шланга 16. Бак 7 совместно с конструктивными элементами рамы 17 выполнен стационарно и составляет неподвижную часть установки, на которой крепятся прецизионные весы 11.
Полный цикл измерений включает следующие основные операции:
1. Подготовка установки к работе: вакуумирование газосборного сосуда 3 при подключенном вакуумном насосе 13 и отсоединенных весах 11 от подвижной системы весоизмерительного узла, отсоединение вакуумного насоса 13 от газосборного сосуда 3.
2. Приведение исполнительных органов системы и измерительных приборов в исходное состояние, подсоединение весов 11 к подвижной системе весоизмерительного узла.
3. Взвешивание подвижной системе весоизмерительного узла с незаполненным газосборным сосудом 3.
4. 3аполнение газосборного сосуда 3 через критическое сопло 2 рабочей средой при подсоединенной подвижной системе к весам 11 с одновременной регистрацией давления, температуры, влажности рабочей среды и времени заполнения газосборного сосуда.
5. Взвешивание заполненного рабочей средой газосборного сосуда 3 с подсоединенной подвижной системой.
6. Выполнение расчетных операций и печать протокола результатов измерений.
Работа установки
Произвести сборку всех составных частей установки согласно фиг.1, при этом весы 11 к подвижной системе весоизмерительного узла 5 не подсоединять, открыть ручной запорный кран 14 и, при включенном вакуумном насосе 13 системы вакуумирования откачать воздух из газосборного сосуда 3 до значения абсолютного давления (510±10) кПа, наблюдая при этом за показаниями вакуумметра 15, установленного для визуального контроля разряжения в газосборном сосуде, затем закрыть ручной запорный кран 14 и отсоединить гибкий шланг 16 вакуумного насоса 13 от газосборного сосуда 3. Присоединить подвижную систему весоизмерительного узла 5 к весам 11, манипулируя балластными грузами, добиться такого состояния, чтобы показания весов составляли (200±10) г, при этом, небольшая отрицательная плавучесть подвижной части весоизмерительной системы позволяет исключить зазоры и люфты в элементах подвески. По команде «пуск» происходит срабатывание переключателя потока 4, открывается отсечной электромагнитный клапан, одновременно запускается таймерное устройство измерительно-вычислительного комплекса 12, отсчитывающее время открытого состояния клапана, и в газосборный сосуд 3 через критическое сопло 2, установленное на измерительном участке 1, начинает поступать воздух из окружающей среды, при этом, одновременно регистрируются параметры рабочей среды: атмосферное давление, температура и относительная влажность воздуха, а также начальное показание весов. По истечении расчетного времени заполнения газосборного сосуда 3 с измерительно-вычислительного комплекса 12 подается команда на срабатывание переключателя потока 4, отсечной электромагнитный клапан закрывается, заполнение газосборного сосуда 3 и отсчет времени заполнения прекращаются. После затухания колебаний подвижной части весоизмерительного узла 5 производится регистрация результата измерения массы заполненного газосборного сосуда 3. Весы 11 отсоединить от подвижной системы весоизмерительного узла.
Полученные результаты измерений используются при расчетах значений массового или объемного расходов газа. Процесс выполнения измерений и обработки результатов измерений практически полностью автоматизирован и заканчивается выдачей протокола результатов измерений.
Новизна заявляемого устройства заключается в том, что газосборный сосуд и понтон, с помощью которого осуществляется гидростатическое уравновешивание, выполнены в виде изолированных друг от друга разнесенных емкостей, чем достигается уменьшение массы подвижной части весоизмерительного узла, обеспечивается стабильность балансировки из-за отсутствия теплообмена между газом и весокомпенсирующей жидкостью, следовательно, уменьшение погрешности при регистрации параметров и повышение точности измерений. Кроме того, выполнение емкостей изолированными друг от друга обеспечивает простоту в обслуживании и эксплуатации установки. Объем понтона рассчитан таким образом, что действующая на него со стороны жидкости выталкивающая сила уравновешивает массу незаполненного газом сосуда других конструктивных элементов подвижной части весоизмерительного узла.
Устройство гидростатической компенсации позволяет обеспечить свободное, без трения и упругих деформаций передвижение конструктивных элементов подвижной части весоизмерительного узла и возможность оптимального согласования диапазона измерений весов с измеряемой массой газа, перепускаемой в газосборный сосуд, что также способствует уменьшению погрешности, следовательно, и повышению точности проводимых измерений.
По своим технико-экономическим показателям в сравнении с известными аналогами, по результатам многолетних экспериментальных исследований образца заявляемой установки, позволяет обеспечить наивысшую в Российской Федерации точность воспроизведения и измерения расхода газа и может являться исходным составным элементом Государственного первичного эталона единиц объемного и массового расходов газа.