УСТАНОВКА ДЛЯ КАЛИБРОВКИ И ПОВЕРКИ УСТРОЙСТВ ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА ГАЗА
UNIT FOR CALIBRATION AND VERIFICATION OF GAS FLOW MEASUREMENT EQUIPMENT

Изобретение относится к области измерений и испытаний, а именно к поверочным установкам для поверки и калибровки счетчиков, расходомеров и расходомеров-счетчиков газа на критических соплах [G01F 25/00].
Из уровня техники известен МЕТОД КАЛИБРОВКИ СЧЕТЧИКА С ПОМОЩЬЮ ЗВУКОВЫХ СОПЕЛ [CN 112268601 (A), опубл.: 26.01.2021], отличающийся тем, что устанавливают блок сбора данных на измерительном столе со звуковыми соплами, вводят номер счетчика через сканирующий считыватель и записывают данные счетчика в блок сбора данных, подают питание на счетчик через блок сбора данных, включают измерительный стол со звуковыми соплами и определяют данные мгновенного расхода счетчика через блок сбора данных, сравнивают его с расходом газа, фактически испускаемым звуковым соплом и получают погрешность счетчика.
Недостатком аналога является недостаточность раскрытия его сущности (существенных признаков).
Также известна УСТАНОВКА ДЛЯ ПРОВЕРКИ И ГРАДУИРОВКИ СЧЕТЧИКОВ ГАЗА [RU 9067 U1, опубл.: 16.01.1999], содержащая корпус, механизм подключения к измерительной линии, образцовый расходомер с соплами , размещенными на основании, ввод для потока измеряемой среды, нагнетатель, создающий разрежение, устройство поддержания требуемого расхода для каждого сопла , отличающаяся тем, что установка снабжена датчиками давления, термометром, барометром, блоками: питания, управления регистрации и расчета, при этом корпус выполнен с откидывающейся на петлях крышкой, содержащей монтажные элементы, причем механизм подключения к измерительной линии снабжен перепускным клапаном "линия-атмосфера", а основание образцового расходомера с соплами установлено герметично через подпружиненный промежуточный диск между стойками, жестко закрепленными в корпусе, при этом промежуточный диск снабжен отжимным механизмом, а ввод для потока измеряемой среды выполнен в виде прямого отрезка трубы, одним концом жестко соединенной с промежуточным диском, а другим концом соединенной подвижно с перепускным клапаном "линия-атмосфера".
Недостатками аналогов являются низкая надежность установки и высокие трудозатраты на ее изготовление, обусловленные наличием в составе установки эталонных измерителей расхода, которые, как вариант, представляют собой эталонные счетчики, которые усложняют и удорожают установку.
Наиболее близким по технической сущности является УСТАНОВКА ДЛЯ ПОВЕРКИ И КАЛИБРОВКИ СЧЕТЧИКОВ, РАСХОДОМЕРОВ И РАСХОДОМЕРОВ-СЧЕТЧИКОВ ГАЗА [RU 2533329, опубл.: 20.11.2014], содержащая эталонные измерители расхода - критические сопла, каждое из которых снабжено запорным клапаном, насос, ресивер (форкамеру), систему контроля и управления, содержащую блок управления запорными клапанами, отличающаяся тем, что в систему контроля и управления дополнительно введен блок формирования набора критических сопел по заданному значению расхода поверочной среды.
Основной технической проблемой прототипа является непроизвольный набор критических сопел, используемый в установке, что затрудняет промышленную применимость данного технического решения, так как постоянно изменяемый набор сопел, во-первых, увеличивает материалоемкость самой установки и затрудняет ее использование во вне стационарных условиях, во-вторых, необходимость замены критических сопел влечет за собой снижение надежности установки и ее точности, в-третьих, снижение надежности установки и ее точности связано в том числе и с неконтролируемым загрязнениям критических сопел во время работы установки.
Задачей изобретения является устранение недостатков прототипа.
Технический результат изобретения заключается в повышении надежности установки для калибровки и поверки устройств измерения расхода газа.
i
k
k
k
Указанный технический результат достигается за счет того, что установка для калибровки и поверки устройств измерения расхода газа, содержащая критические сопла с запорными клапанами, насос, ресивер и модуль управления, отличающаяся тем, что для калибровки или поверки устройства в модуле управления задают поверочные точки по расходу газа, для каждой из которых определены включаемые в формирование расхода критические сопла, номинальные расходы d которых выражены как степени двойки и представлены n-разрядным двоичным числом, при этом суммарный расход устройства сформирован в виде суммы расходов критических сопел с двоичными весами , где a – коэффициент со значениями 0 или 1, учитывающий участие критического сопла в формировании расхода, при этом а=0, если критическое сопло исключено из формирования расхода (выключено) и а=1, если критическое сопло включено в формирование расхода, к контроллеру подключены датчики измерения температуры и давления поверочной среды в ресивере, температуры, давления и влажности окружающего воздуха для измерения с их помощью параметров поверочной среды, прокачиваемой через критические сопла и окружающей среды для определения в модуле управления объема поверочной среды, прокачанной через устройство измерения расхода газа и относительной погрешности установки.
3
В частности, расход каждого из критических сопел определяют как , первое из которых выбирается из ряда 0,004, 0,008, 0,016, 0,032, 0,064 м/час.
атм
tφ
В частности, объем поверочной среды определяют как , где ΔP – перепад давлений между входом в критическое сопло и атмосферой, P – атмосферное давление воздуха, измеряемое датчиком атмосферного давления, К – градуировочный коэффициент критического сопла, К – коэффициент зависимости «температура – влажность».
В частности, перепад давлений между входом в критическое сопло и атмосферой, измеряется датчиком дифференциального давления, подключенным на выходе из устройства измерения расхода газа.
На фигуре показана структурная схема установки для калибровки и поверки устройств измерения расхода газа, на которой обозначено: 1 – критические сопла, 2 – клапаны, 3 – ресиверы, 4 – насосы, 5 – устройство измерения расхода газа, 6 – датчик абсолютного давления, 7 – датчик температуры газа, 8 – датчик дифференциального давления, 9 – контроллер, 10 – датчик температуры воздуха, 11 – датчик  давления окружающего воздуха, 12 – датчик влажности воздуха, 13 – модуль управления.
Осуществление изобретения.
Установка для калибровки и поверки устройств измерения расхода газа содержит эталонные измерители расхода газа, выполненные в виде критических сопел 1. Принцип действия установки основан на воспроизведении и измерении скорости движения поверочной среды, например, воздуха через критические сопла 1 в критическом режиме. Скорость движения в этом режиме постоянна, поэтому при известном значении диаметра критического сопла 1 и параметров внешней среды (температура, давление, влажность) вычисляют расход воздуха, а при измеренном значении времени - объем. Вычисленные значения расхода и объема в дальнейшем используются в качестве эталонных.
Каждое из критических сопел 1 снабжено клапаном 2, выполненным управляемым. Критические сопла 1 с одной стороны общей магистралью подключены через ресиверы 3 к насосам 4. Насосы 4 выполнены, например, вакуумными. С другой стороны, к критическим соплам 1, по другой магистрали, подключен устройство измерения расхода газа 5, например, счетчик, или расходомер, или расходомер-счетчик и т.д.
В магистраль между клапанами 2 и ресиверами 3 подключен датчик абсолютного давления 6, а к одному из ресиверу 3 подключен датчик температуры газа 7.
В магистраль между критическими соплами 1 и устройством измерения расхода газа 5 подключен датчик дифференциального давления 8.
Клапаны 2, датчики абсолютного давления 6, температуры газа 7 и дифференциального давления 8 подключены к контроллеру 9.
Ко входам контроллера 9 также подключены датчик температуры воздуха 9, датчик относительного давления 10 и датчик влажности воздуха 11.
Контроллер 9 выполнен с возможностью преобразования измеренных сигналов с датчиков 6-8 и 9-11 в цифровые сигналы, вычисления расхода и объема газа, контроля критического режима работы сопел 1, управления клапанами 2 и насосами 4.
Контроллер 9 подключен к модулю управления 13, выполненному в виде ПК, ноутбука, планшета, смартфона и т.д. с возможностью ввода/вывода информации, управления контроллером 9, выбора режимов работы и контроля за работоспособностью установки в целом.
Установка осуществляет расчет объемного (массового) расхода, объема (массы) поверочной среды, прошедших через устройство измерения расхода газа 5, перерасчет к стандартным условиям в соответствии с ГОСТ Ρ 8.740-2011 и определение погрешности упомянутого устройства 5.
Установку для калибровки и поверки устройств измерения расхода газа используют следующим образом.
Перед калибровкой подключают устройство измерения расхода газа 5 на вход общей магистрали с критическими соплами 1.
Новым существенным признаком в техническом решении, обеспечивающим достижение заявленного технического результата – повышение надежности установки, является то, что набор критических сопел 1 для калибровки и поверки линейки устройств измерения расхода газа неизменен, при этом номинальные расходы критических сопел 1 выбирают как степени двойки и представляют n-разрядным двоичным числом.
i
Расход Q каждого из критических сопел 1 в установке определяют по формуле:
(1),
3
3
3
3
первое из которых выбирается из ряда 0,004, 0,008, 0,016, 0,032 и 0,064 м/час в зависимости от диапазона измерения расхода калибруемых устройств. Например, для измерения расхода в диапазоне от 0,016 до 16 м/час установка включает 10 критических сопел 1 с расходами 0,016, 0,032, 0,064, 0,128, 0,256, 0,512, 1, 2, 4 и 8 м/час. Любой расход в диапазоне от 0,016 до 16 м представляется в этом случае 10 разрядным двоичным числом.
Для увеличения диапазона измерения расхода увеличивают количество сопел, при этом расход каждого из добавляемых критических сопел 1 определяют также по формуле 1.
Сумма расходов формируется как сумма расходов сопел 1 с двоичными весами по формуле:
(2)
3
где Q – значение расхода устройства 5, м/час;
k – количество критических сопел 1;
d – минимальный расход критического сопла 1;
k
k
k
a – коэффициент со значениями 0 или 1, учитывающий участие критического сопла 1 в формировании расхода, а=0, если критическое сопло 1 исключено из формирования расхода (выключено), а=1, если включено.
3
В модуле управления 13 задают данные калибруемого устройства измерения расхода газа 5 и поверочные точки по расходу. Например, для устройства 5 типоразмером G1,6, поверочными точками по расходу будут 0,016, 1,6 и 2,5 м/ч.
Определяют по формуле 2 включаемые в формирование расхода критические сопла 1, для чего зная поверочную точку по расходу Q (левая часть формулы 2) и минимальный расход критического сопла 1 в установке d (первый множитель правой части формулы 2) определяют второй множитель правой части формулы 2.
3
Так как первая поверочная точка Q = 0,016 м/ч, а минимальный расход критического сопла 1 в установке также равен 0,016, то в формировании расхода будет участвовать только это критическое сопло 1.
3
3
3
k
Для второй поверочной точки Q = 1,6 м/ч второй множитель правой части формулы 2 будет равен Q/d = 1,6/0,016 = 100. Преобразуют полученное значение из десятичной системы счисления в двоичную: 1100100. Каждый из разрядов полученного кода является коэффициентом а из формулы 2, определяющий участие критического сопла 1 в формировании расхода. Таким образом, исходя из кода в формирование расхода включают (справа налево) третье, шестое и седьмое критические сопла 1 с расходами 0,064, 0,512 и 1,024 м/час соответственно (сумма 1,590 м/час).
3
3
3
Для третьей поверочной точки Q = 2,5 м/ч второй множитель правой части формулы 2 будет равен Q/d = 2,5/0,016 = 156,25. Преобразуют целое число полученного значения из десятичной системы счисления в двоичную: 10011100. Исходя из кода в формирование расхода включают (справа налево) третье, четвертое, пятое и восьмое критические сопла 1 с расходами 0,064, 0,128, 0,256, 2,048 м/час соответственно (сумма 2,496 м/час).
Поочередно калибруют устройство измерения расхода газа 5 на каждой из заданной поверочной точке по расходу газа для чего перед началом калибровки открывают клапаны 2 сопел 1, участвующих в формировании расхода и определенных по формуле 2. После открытия клапанов 2 включают насосы 4, с помощью которых создают критический перепад давления на открытых критических соплах 1 и прокачивают в течение времени t через устройство измерения расхода газа 5 воздух.
В процессе прокачки воздуха измеряют с помощью датчика температуры газа 7 температуру прокачиваемого поверочной среды в ресивере 3, температуру окружающего воздуха с помощью датчика температуры воздуха 11, относительное давление воздуха с помощью датчика атмосферного давления воздуха 11 и влажность воздуха с помощью датчика влажности 12 и передают измеренные значения в контроллер 9.
Определяют в блоке управления 13 расход газа через каждое из критических сопел 1 по известной площади горловины упомянутого сопла 1 и измеренной температуре газа по формуле:
,                                                                                     (3)
0
3
где Q – объемный расход воздуха, м/ ч;
3
0.5
К – градуировочный коэффициент критического сопла 1, м/час (К), определенный для температуры окружающего воздуха + 20 °С и влажности 60 %;
0
0
Т - абсолютная температура рабочей среды, К, Т= t+273,15.
u
При постоянной температуре рабочей среды объемный расход сохраняется постоянным, поэтому расчетный объем воздуха, пропущенный через устройство измерения расхода газа 5 за интервал времени t, определяют по формуле:
,                                                                             (4)
tφ
атм
Действительное значение объема (расхода) газа зависит от соотношения «температура – влажность» и от падения давления на калибруемом устройстве измерения расхода газа 5. Эту зависимость учитывают с помощью коэффициентов К и множителя (1-ΔР/Р):
(5), где
ΔP – перепад давлений между входом в критическое сопло 1 и атмосферой, измеряемый датчиком дифференциального давления 8, кПа;
атм
P – атмосферное давление воздуха, измеряемое датчиком атмосферного давления 11, кПа.
Из формул 3-5 объем газа рассчитывают по формуле:
(6).
tφ
Значения К приведены в таблице.
ϕ, %
Температура, °С
10
12
14
16
18
20
22
24
26
28
30
30
1,002
1,002
1,002
1,001
1,001
1,001
1,001
1,001
1,001
1,000
1,000
40
1,002
1,001
1,001
1,001
1,001
1,001
1,001
1,000
1,000
0,9988
0,9995
50
1,001
1,001
1,001
1,001
1,001
1,000
1,000
0,9998
0,9995
0,9992
0,9988
60
1,001
1,001
1,001
1,001
1,000
1,000
0,9998
0,9993
0,9989
0,9984
0,9980
70
1,001
1,001
1,000
1,000
0,9999
0,9996
0,9993
0,9988
0,9983
0,9978
0,9973
80
1,001
1,000
1,000
0,9999
0,9995
0,0092
0,9988
0,9983
0,9978
0,9972
0,9965
90
1,001
1,000
0,9999
0,9996
0,9992
0,9988
0,9983
0,9978
0,9972
0,9965
0,9959
По окончании прокачки через устройство измерения расхода газа 5 с него считывают значение расхода (объема) и сравнивают их с рассчитанными значениями, взятыми за эталонные.
Определяют относительную погрешность установки при воспроизведении объема и делают вывод о пригодности (непригодности) устройства для измерения расхода газа 5 к применению.
Другим новым существенным признаком в техническом решении, обеспечивающим повышение надежности установки и достижение заявленного технического результата, является то, что в процессе работы установки для калибровки и поверки устройств измерения расхода газа по мере загрязнения отверстие сопел 1 уменьшается и соответственно будет изменяться реальный расход газа. Для контроля работоспособности установки рассчитывают расход газа косвенным методом, не зависящим от значений расходов критических сопел 1 по формуле:
(8),
р
где V- общий объем ресивера 3, л;
изм
t – время работы установки, с;
н
Р – начальное давление воздуха в ресивере 3, кПа;
к
Р – конечное давление воздуха в ресивере 3, кПа;
н
о
Т – начальная температура воздуха в ресивере 3, С;
к
о
Т – конечная температура воздуха в ресивере 3, С;
атм
атм
Р, Т – давление и температура наружного воздуха соответственно;
н
К
н
К
атм
атм
Р, Р измеряют датчиком абсолютного давления 6. Т, Тизмеряют датчиком температуры газа 7. Р измеряют датчиком давления окружающего воздуха 11. Т измеряют датчиком температуры воздуха 10.
При значениях расхода газа, определенного по формуле 8, менее первоначального значения останавливают установку и проводят работы по ее обслуживанию.