СЧЁТЧИК-РАСХОДОМЕР ГАЗА

Полезная модель относится к контрольно-измерительной технике, в частности к приборам для измерения количества потребленного газа, более конкретно, к счетчикам газа, принцип действия которых основан на тепловых, в частности анемометрическом и/или калориметрическом методах измерений. Заявляемый счетчик может быть использован для измерения и учета количества потребленного газа в широком диапазоне пропускных способностей и может функционировать, в том числе, в режиме расходомера.
3
3
Для определения прошедшего по трубопроводу количества (объем и/или масса) текучих (жидких и газообразных) сред используют большое количество различных типов устройств (счетчиков, расходомеров, счетчиков-расходомеров), которые отличаются по принципу действия, по области использования (для использования в качестве бытовых счетчиков, магистральных расходомеров и т.п., т.е. для объемов от малых до больших), по пропускной способности и т.д. Как правило, тип устройства выбирают, исходя из планируемых объемов потребления (малые или большие объемы), и устройства одного типа, предназначенные для определения объема потребления в заданном диапазоне, имея определенную пропускную способность, не могут осуществлять измерение или, по крайней мере, не могут обеспечить приемлемую точность измерения при выходе за пределы заданного диапазона. Чаще всего для локального учета потребления газа в квартирах, домах, офисах, небольших топочных и т.п.используют, как правило, небольшие мембранные (камерные, диафрагменные), реже ультразвуковые, струйные, небольшие ротационные счетчики газа с максимальной пропускной способностью от 1 до 6 м/ч [1]. На узлах учета крупных потребителей используются промышленные счетчики с максимальной пропускной способностью свыше 40 м/ч. Так, в газовых котельных промышленных и сельхозпредприятий, узлах учета газораспределительных сетей используют, в основном, ротационные, турбинные, вихревые, ультразвуковые, струйные счетчики газа, а на магистральных сетях - сужающие устройства, турбинные, вихревые, ультразвуковые счетчики газа.
Известен также класс тепловых расходомеров с электрическим нагревом, подкласс термоанемометрических расходомеров [1]. Принцип действия указанных расходомеров основан на том, что тепловая мощность, необходимая для поддержания постоянного перепада температур между нагретым чувствительным элементом и обтекающим его потоком газа, зависит от скорости этого потока и, следовательно, от массового расхода газа, проходящего через расходомер. В большинстве конструкций термоанемометрических счетчиков/расходомеров измеряемый поток газа, проходя через патрубок ввода газа, поступает в камеру и воздействует на подключенный к резистивному мосту и нагреваемый электрическим током чувствительный элемент скорости, который установлен в горловине сопла. Изменение расхода газа, а значит, и скорости обдува чувствительного элемента скорости потоком газа приводит к изменению тока, протекающего через чувствительный элемент скорости. Благодаря усилителю обратной связи указанное изменение тока происходит автоматически следующим образом. При увеличении расхода газа увеличивается скорость обдува чувствительного элемента скорости потоком газа, а следовательно, возрастает и теплоотдача от него. В результате возрастания теплоотдачи температура и электрическое сопротивление чувствительного элемента скорости понижаются, резистивный мост выходит из равновесия и на входе усилителя обратной связи появляется разность потенциалов, которая им усиливается и вызывает повышение напряжения на вершине резистивного моста. Рост этого напряжения приводит к увеличению тока, протекающего через резистивный мост, вследствие чего сопротивление чувствительного элемента скорости возрастает и резистивный мост снова приходит в равновесие. Измеряя напряжение на выходе усилителя обратной связи внешним регистрирующим прибором, определяют расход потока газа, используя калибровочную характеристику расходомера газа. Термокомпенсатор, установленный на некотором расстоянии от чувствительного элемента скорости, представляет собой проволочный термометр сопротивления, включенный в резистивный мост. При изменении температуры потока газа электрические сопротивления термокомпенсатора и чувствительного элемента скорости изменяются таким образом, что резистивный мост остается в равновесии, благодаря чему выходное напряжение расходомера газа не зависит от температуры измеряемого потока газа. При этом перегрев чувствительного элемента скорости, то есть разность между его температурой и температурой потока газа, сохраняется постоянным. Малые размеры чувствительного элемента скорости в сочетании с высоким коэффициентом усиления усилителя обратной связи обеспечивают подобным приборам высокое быстродействие.
Недостатками счетчиков/расходомеров газа такого типа являются низкая чувствительность и большая погрешность измерения малых расходов газа, снижающие эффективность его работы и не позволяющие применять его для измерения расходов газа менее 0,01 л/мин. Низкая чувствительность термоанемометрического расходомера газа при измерении малых расходах газа объясняется тем, что по мере уменьшения расхода газа снижается скорость обдува чувствительного элемента скорости потоком газа. В результате этого относительная доля конвективной составляющей (вклад вынужденного движения газа) в суммарном теплообмене чувствительного элемента скорости, от которой зависит выходной сигнал расходомера, приближается к нулю. При нулевой скорости потока газа весь теплообмен чувствительного элемента скорости осуществляется только благодаря свободной конвекции.
Упомянутые выше недостатки известных из уровня техники термоанемометрических расходомеров, в частности низкая чувствительность в области малых расходов газа, ограничивает область их применения, прежде всего, ограничивает возможность их применения в качестве бытовых счетчиков газа.
Из уровня техники известны также термоанемометрические расходомеры газа, в которых увеличение чувствительности расходомера и повышение точности измерения малых расходов газов достигается, в основном, за счет усложнения их конструкции. Так, известен расходомер газа, включающий камеру с патрубками ввода и вывода газа, внутри которой установлены средство создания калиброванного потока газа в виде сопла, и датчик расхода в виде чувствительного элемента скорости и термокомпенсатора, установленных в зоне прохождения калиброванного потока газа, и связанный с датчиком расхода электронный измерительный блок, содержащий усилитель обратной связи и электрически связанный с ним резистивный мост [3]. Кроме того, камера дополнительно снабжена акустическим излучателем, расположенным на задней стенке камеры. Патрубок ввода газа установлен на боковой стенке камеры. Электронный измерительный блок снабжен генератором синусоидальных колебаний, подключенным к акустическому излучателю, и узкополосным фильтром, подключенным к выходу усилителя обратной связи. Как можно видеть даже их краткого описания конструкции такого расходомера газа, она существенно усложнена по сравнению с традиционными. При этом такое существенное усложнение конструкции не обеспечивает значительное расширение диапазона измеряемых объемов газа и снижение минимально допустимого значения до значений, приемлемых для бытовых счетчиков газа.
Описанный выше расходомер газа [3] может быть принят в качестве наиболее близкого по совокупности общих существенных признаков к заявляемому счетчику расхода газа.
Задачей полезной модели является создание счетчика газа, который бы имел более простую конструкцию и был основан только на тепловых методах измерений, но обеспечивал бы при этом более высокую точность измерений в большом диапазоне расходов, что обеспечит возможность его эффективного функционирования, как в качестве бытового счетчика газа, так и в качестве коммунально-бытового и даже промышленного счетчика-расходомера.
Поставленная задача решается заявляемым счетчиком газа, содержащим измерительную камеру с входным и выходным патрубками, внутри которой установлены средство создания калиброванного потока газа и датчик расхода в виде пары терморезисторов, установленных в зоне прохождения калиброванного потока газа, и связанный с датчиком расхода электронный измерительный блок. Поставленная задача решается за счет того, что в измерительной камере дополнительно сформирован измерительный канал, в котором установлен датчик расхода, средство создания калиброванного потока газа включает обтекатель, установленный в зоне входного патрубка перпендикулярно направлению входного и выходного потока, и два выпрямителя, установленных последовательно в направлении потока, при этом каждый из выпрямителей снабжен множеством сквозных калиброванных отверстий, ориентированных таким образом, что выход каждого из калиброванных отверстий первого выпрямителя связан через входную подкамеру со входами калиброванных отверстий второго выпрямителя и со входом измерительного канала, а выход каждого калиброванного отверстия второго выпрямителя связан с выходной подкамерой, сформированной в зоне выходного патрубка, с которой связан также выход измерительного канала, датчик расхода дополнительно содержит вторую пару терморезисторов.
В предпочтительных формах реализации электронный измерительный блок включает связанный с датчиком расхода резистивный мост, биполярный источник напряжения и два дифференциальных усилителя, связанных с микропроцессорным контроллером.
Микропроцессорный контроллер в различных предпочтительных формах реализации, в свою очередь, предпочтительно может быть снабжен средством автоматического переключения режимов измерения для больших и малых расходов газа, средством расчета расхода газа, средством приведения измеренного расхода и объема газа к атмосферным условиям по температуре (в газовой отрасли при расчетах с потребителями используется понятие «атмосферные условия» по ГОСТ 2939-63, температура при которых составляет 20°C (293,15 К)).
В предпочтительных формах реализации, в которых микропроцессорный контроллер снабжен средством расчета расхода газа, заявляемый счетчик выполнен в виде счетчика-расходомера.
Описанные выше и другие достоинства и преимущества заявляемого счетчика газа будут более подробно рассмотрены ниже на одном из возможных, но не ограничивающих примеров реализации со ссылками на позиции фигур чертежей, на которых схематично изображены:
Фиг. 1 - структурная схема заявляемого счетчика с измерительной камерой в разрезе;
Фиг. 2 - фрагмент по Фиг. 1 в увеличенном масштабе.
Заявляемый счетчик газа в представленной на Фиг. 1 форме реализации содержит измерительную камеру 1 с входным 2 и выходным 3 патрубками, внутри которой установлено средство создания калиброванного потока газа, которое включает обтекатель 4, установленный в зоне входного патрубка 2 перпендикулярно направлению входного и выходного потока (на Фиг. 1 обозначены горизонтальными стрелками), и два струйных выпрямителя 5 и 6, установленных последовательно в направлении потока. В измерительной камере 1 дополнительно сформирован измерительный канал 7, в котором установлен датчик расхода, который состоит из двух пар терморезисторов 8, 9 и 10, 11, установленных в зоне прохождения калиброванного потока газа. Каждый из выпрямителей 5 и 6 снабжен множеством сквозных калиброванных отверстий 12 и 13, соответственно, ориентированных таким образом, что выход каждого из калиброванных отверстий 12 первого выпрямителя 5 связан через входную подкамеру 14 со входами калиброванных отверстий 13 второго выпрямителя 6 и со входом измерительного канала 7, а выход каждого калиброванного отверстия 13 второго выпрямителя 6 связан с выходной подкамерой 15, сформированной в зоне выходного патрубка 3, с которой связан также выход измерительного канала 7. Терморезисторы 8, 9 и 10, 11 электрически связаны с электронным измерительным блоком 16, в частности с согласованными резисторами 17 резистивного моста.
Электронный измерительный блок 16 содержит согласованные резисторы 17, биполярный источник 18 напряжения, дифференциальные усилители 19 и микропроцессорный контроллер 20. Микропроцессорный контроллер 20 снабжен средством 21 автоматического переключения режимов измерения для больших и малых расходов газа, средством 22 расчета расхода газа и средством 23 приведения измеренного расхода и объема газа к атмосферным условиям по температуре. Каждое из средств 21, 22, 23 связано с микропроцессором 24 микроконтроллера 20.
На Фиг. 2 в увеличенном масштабе изображена область А по Фиг. 1 в зоне, установленных в измерительном канале 7 терморезисторов 8, 10, 11 при измерении потока на малых расходах. Позицией 25 на Фиг. 2 обозначен сдвиг симметричной области тепла над центральным резистором 11 вследствие обдува.
Заявляемый счетчик газа функционирует следующим образом.
Поток газа из трубопровода (на чертежах не изображен) поступает в измерительную камеру 1 через входной патрубок 2 и, достигая обтекателя 4, изменяет направление и скорость перемещения. Обтекатель 4 обеспечивает равномерное распределение потока газа по всему объему измерительной камеры 1. Далее поток газа разделяется на отдельные потоки, которые через калиброванные отверстия 12 выпрямителя 5 попадают во входную камеру 14 и далее разделяются на калиброванный поток, протекающий через измерительный канал 7 и множество потоков, протекающих через калибровочные отверстия 13 выпрямителя 6. Таким образом, струйные выпрямители 5, 6 обеспечивают формирование ламинарного движения газа с калиброванным потоком в измерительном канале 7. В измерительном канале 7 установлено две пары терморезисторов основных 10, 11 и дополнительных 8, 9.
Измерение существенных расходов газа производится анемометрическим методом, малых расходов - калориметрическим методом.
При анемометрическом методе центральный резистор 11 нагревается под действием постоянного тока (от биполярного источника 18 напряжения), что приводит к формированию над ним области нагретого газа-носителя. При наличии потока газа температура перегрева снижается, и, как следствие, происходит изменение сопротивления резистора 11 и величины протекающего через него тока. Для увеличения данного сигнала применяется схема, позволяющая убрать постоянную составляющую сигнала благодаря двухполярному питанию и внешнему резистору 10 с номинальным сопротивлением, аналогичным резистору 11.
Для измерения потока на малых расходах используется полумостовая калориметрическая схема, основанная на измерении разности температур резисторов 8 и 9, возникающей из-за сдвига симметричной области 25 тепла над центральным резистором 11 вследствие обдува (Фиг. 2).
Переключение между режимами производится автоматически по сигналу, поступающему от микропроцессорного контроллера 20, снабженного средством 21 автоматического переключения режимов
Средство 22 расчета расхода газа, предусмотренное в микропроцессорном контроллере 20 обеспечивает выполнение функции расходомера, в частности в режиме измерения существенных расходов газа.
Средство 23 приведения измеренного расхода и объема газа к атмосферным условиям по температуре, предусмотренное в микропроцессорном контроллере 20 обеспечивает определение стоимости реально потребленного объема газа (не зависимо от колебаний температуры).
Проходя через измерительный канал 7 и калиброванные каналы 13 выпрямителя 6, поток газа поступает в выходную подкамеру 15, сформированную в зоне выходного патрубка 3 и далее через выходной патрубок 3 - в трубопровод (на чертежах не изображен) к потребителю.
Источники информации.
1. Счетчик газа. Электронный ресурс Википедия. [Электронный ресурс] - 12 сентября 2013. - Режим доступа: http://ru.wikipedia.org/wiki/%D1%F7%B8%F2%F7%E8%EA_%E3%E0%E7%E0
2. Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества: Справочник - 4-е изд., перераб. и доп. - Л.: Машиностроение, Ленинградское отделение, 1989, с. 398-402.
3. Патент BY №6416 U, опубл. 30.08.2010.