СПОСОБ И УСТРОЙСТВО УСКОРЕННОЙ ПОВЕРКИ (КАЛИБРОВКИ) РАСХОДОМЕРА
METHOD AND DEVICE FOR ACCELERATED CALIBRATION OF FLOW METER

1. Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к подразделу метрологии - расходометрии (по международной классификации G01F) и может быть использовано для поверки (калибровки) расходомеров, объемных и массовых счетчиков.
2. Уровень техники
Известно устройство - трубопоршневая поверочная установка (далее ТПУ) и зарубежный аналог ТПУ - прувер (prover, meter prover) для поверки и калибровки технологически связанного с ним расходомера. Свойства ТПУ и способ поверки преобразователей расхода с применением ТПУ приведены в документе МИ 3380-2012 «Рекомендация. Государственная система обеспечения единства измерений. Преобразователи объемного расхода. Методика поверки». (Утверждена 10.09.2012 г. Всероссийским научно-исследовательским институтом расходометрии, г. Казань). ТПУ или прувер (см. фиг. 1) содержит калиброванный участок трубопровода (поз. 1), поршень-вытеснитель (поз. 2), движущийся в калиброванном участке под действием потока измеряемой среды (на фиг. 1 направление потока условно показано стрелкой), переключатель направления потока измеряемой среды в ТПУ (поз. 5), односигнальные детекторы начального (поз. 6, 7) и конечного (поз. 8, 9) положений поршня- вытеснителя в калиброванном участке трубопровода ТПУ (или прувера), вторичный прибор (поз. 3), осуществляющий накопление и математическую обработку измерительной информации, поступающей от расходомера (поз. 4) в виде последовательностей импульсов, ограниченных во времени моментами срабатывания односигнальных детекторов начального и конечного положений поршня-вытеснителя в калиброванном участке ТПУ. В работе ТПУ используется два односигнальных детектора крайних положений поршня-вытеснителя, но ТПУ также может оснащаться четырьмя односигнальными детекторами, два из которых являются резервными. Начальное и конечное положения поршня-вытеснителя обозначают условно, так как очередное переключение потока измеряемой среды заставляет поршень-вытеснитель двигаться в противоположном направлении, поэтому односигнальные детекторы, отработавшие сигнал окончания первого прохождения поршня-вытеснителя по калиброванному участку трубопровода, который называют полуциклом, становятся односигнальными детекторами начала очередного полуцикла. Таким образом, рабочий цикл ТПУ состоит из двух последовательных полуциклов в прямом и обратном направлениях.
Недостатком ТПУ (прувера) является необходимость многократного прохода поршня-вытеснителя в калиброванном участке для накопления достаточного количества импульсных последовательностей от расходомера (или объемных и массовых счетчиков) для их статистического анализа и отбраковки недостоверных результатов измерений, что приводит к существенным затратам времени и энергии для калибровки или поверки одного преобразователя расхода (или объемных и массовых счетчиков). Длительная по времени процедура многократных измерений сопровождается изменением температуры окружающего воздуха и измеряемой среды, давления в трубопроводе, изменением условий смешивания потоков измеряемой среды, что приводит к увеличению погрешности результата измерений. Кроме того, в условиях нестабильного или плавно меняющегося расхода во времени, применение ТПУ (прувера) без принятия специальных мер по поддержанию выбранного расхода становится невозможным.
Обработка измерительной информации при известном способе поверки (калибровки) расходомера (или объемных и массовых счетчиков) сводится к накоплению достаточного количества импульсных последовательностей при многократном прохождении поршня-вытеснителя от начального положения до конечного и обратно для вычисления среднего значения коэффициента преобразования как отношения количества импульсов расходомера (или объемных и массовых счетчиков), усредненных за определенное число рабочих циклов, к известному объему калиброванного участка ТПУ (прувера).
3. Сущность изобретения
Целью изобретения является сокращение времени работы ТПУ (прувера) при поверке (калибровке) расходомера (или объемных и массовых счетчиков) и повышение точности измерений за счет исключения влияния плавно меняющихся во времени дестабилизирующих факторов.
Цель достигается тем, что устройство для поверки (калибровки) расходомера, объемного счетчика, массового счетчика, содержащее калиброванный участок трубопровода, поршень-вытеснитель, движущийся в калиброванном участке под действием потока измеряемой среды, односигнальные детекторы начального и конечного положений поршня-вытеснителя в калиброванном участке трубопровода, вторичный прибор, осуществляющий накопление и математическую обработку измерительной информации, поступающей от расходомера (или объемных и массовых счетчиков) в виде последовательностей импульсов, ограниченных во времени моментами срабатывания односигнальных детекторов начального и конечного положений поршня-вытеснителя в калиброванном участке трубопровода, снабжено дополнительными односигнальными детекторами начального и конечного положений поршня-вытеснителя при его движении в калиброванном трубопроводе, дополнительными измерительными каналами вторичного прибора, осуществляющего накопление и математическую обработку импульсных последовательностей от расходомера (или объемных и массовых счетчиков), ограниченных во времени моментами срабатывания односигнальных детекторов начального и конечного положений поршня-вытеснителя при его движении в калиброванном участке трубопровода, при этом суммарное число односигнальных детекторов начального и конечного положений поршня-вытеснителя составляет не менее пяти, что в конечном итоге позволяет быстрее получить количество измерительной информации, достаточное для ее математической обработки и удостоверения метрологических характеристик расходомера (или объемных и массовых счетчиков), на выбранном расходе измеряемой среды, за счет увеличения суммарного количества последовательностей импульсов от расходомера (или объемных и массовых счетчиков), вследствие срабатывания увеличенного количества односигнальных детекторов, а также повышение точности измерений за счет снижения влияния монотонно меняющихся во времени условий поверки (калибровки). С целью упрощения конструкции ТПУ (прувера) возможно вместо односигнальных детекторов применение детекторов начального и конечного положений поршня-вытеснителя, снабженных контактными группами, позволяющими фиксировать момент прохождения поршня-разделителя путем замыкания группы нормально разомкнутых контактов. При этом конструктивно возможно также одновременное размыкание группы нормально замкнутых контактов. Для исключения кабельных связей контактных групп детекторов с вторичным прибором, выполняющим накопление и математическую обработку измерительной информации, поступающей от расходомера (или объемных и массовых счетчиков) в виде последовательностей импульсов, возможно применение радиосигнальной передачи измерительной информации с помощью радиопередающего устройства на стороне детектора и радиоприемного устройства - на стороне вторичного прибора.
По существу технических решений, предлагается:
1. Применение устройства для поверки (калибровки) расходомера, объемного счетчика, массового счетчика, содержащее калиброванный участок трубопровода, поршень-вытеснитель, движущийся в калиброванном участке под действием потока измеряемой среды, односигнальные детекторы начального и конечного положений поршня-вытеснителя в калиброванном участке трубопровода, вторичный прибор, осуществляющий накопление и математическую обработку измерительной информации, поступающей от поверяемого (калибруемого) расходомера, объемного счетчика, массового счетчика в виде последовательностей импульсов, ограниченных во времени моментами срабатывания односигнальных детекторов начального и конечного положений поршня-вытеснителя в калиброванном участке трубопровода, отличающегося тем, что введены дополнительные односигнальные детекторы начального и конечного положений поршня-вытеснителя при его движении в калиброванном участке трубопровода и дополнительные измерительные каналы вторичного прибора, осуществляющего накопление и математическую обработку импульсных последовательностей от преобразователя расхода, ограниченных во времени моментами срабатывания односигнальных детекторов начального и конечного положений поршня-вытеснителя, при этом суммарное число односигнальных детекторов начального и конечного положений поршня-вытеснителя составляет не менее пяти.
2. Применение устройства для поверки (калибровки) расходомера, объемного счетчика, массового счетчика по п. 1, отличающегося тем, что вместо односигнальных детекторов установлены детекторы начального и конечного положений поршня-вытеснителя, снабженные контактными группами, позволяющими при срабатывании детектора замыкать группу нормально разомкнутых контактов.
3. Применение устройства для поверки (калибровки) расходомера, объемного счетчика, массового счетчика по п. 1, отличающегося тем, что вместо односигнальных детекторов установлены детекторы начального и конечного положений поршня-вытеснителя, снабженные контактными группами, позволяющими при срабатывании детектора размыкать группу нормально замкнутых контактов.
4. Применение устройства для поверки (калибровки) расходомера, объемного счетчика, массового счетчика по п. 1, отличающегося тем, что вместо односигнальных детекторов установлены детекторы начального и конечного положений поршня-вытеснителя, снабженные контактными группами, позволяющими при срабатывании детектора размыкать группу нормально замкнутых контактов и замыкать группу нормально разомкнутых контактов.
5. Применение устройства по любому из пп. 1-4, отличающегося тем, что детекторы начального и конечного положений поршня-вытеснителя снабжены радиопередающим устройством, которое передает на приемное устройство вторичного прибора, выполняющего необходимую обработку измерительной информации, соответствующую информацию о моментах срабатывания детекторов.
6. Использование способа ускоренной поверки (калибровки) расходомера, объемного счетчика, массового счетчика с применением известных трубопоршневой поверочной установки или компакт-прувера с соответствующими вторичными приборами и калиброванными участками, включающего вычисление коэффициента преобразования поверяемого (калибруемого) расходомера, объемного счетчика, массового счетчика путем отнесения усредненного за период многократного прохождения поршнем-вытеснителем калиброванного участка количества импульсов от поверяемого (калибруемого) расходомера, объемного счетчика, массового счетчика к известному объему калиброванного участка, отличающегося тем, что в качестве суммарного результата измерения количества импульсов, ограниченных во времени моментами срабатывания детекторов начального и конечного положений поршня-вытеснителя при его прохождении в калиброванном участке от начального до конечного положения и от конечного до начального положения, применяют сумму ряда значений импульсных последовательностей от поверяемого (калибруемого) расходомера, объемного счетчика, массового счетчика, с отнесением к сумме соответствующих объемов калиброванного участка, ограниченных во времени моментами срабатывания детекторов начального и конечного положений поршня-вытеснителя, при этом применяется устройство по пп. 1-5.
4. Перечень чертежей (схем и рисунков)
1. Фиг. 1 - схема, поясняющая процесс поверки (калибровки) расходомера с применением известной ТПУ (прувера).
2. Фиг. 2 - рисунок, поясняющий принцип действия прувера по патенту США №3021703.
3. Фиг. 3 - рисунок, поясняющий принцип действия «компакт-прувера» по патенту США №4549426.
4. Фиг. 4 - рисунок, поясняющий принцип действия детектора по патенту США №5263220.
5. Фиг. 5 - рисунок, поясняющий возможность получения нескольких сигналов о срабатывании детектора путем включения в работу нескольких герконов, управляемых одной магнитной деталью детектора (см. фиг. 4, поз. 60 и 61).
6. Фиг. 6 - схема, поясняющая процесс поверки (калибровки) расходомера с применением заявленной ТПУ.
5. Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
На фиг. 2 приведен рисунок, поясняющий принцип действия прувера в соответствии с патентом США №3021703, где поз. 11 - расходомер, поз. 13, 15, 17 - электронные устройства, необходимые для подсчета импульсов от расходомера, поз.19, 20 - переключатели потока измеряемой среды, поз. 22 - калиброванная труба прувера, поз. 23 - поршень-вытеснитель, поз. 30, 31 - предельные выключатели (односигнальные детекторы).
На фиг. 3 приведен рисунок, поясняющий принцип действия «компакт-прувера» в соответствии с патентом США №4549426, где поз. 24, 25 - односигнальные детекторы, выполненные на базе герметизированных магнитоуправляемых контактов - герконов, которые срабатывают от воздействия магнитного инициатора поз. 21, закрепленного на штоке поз. 19, соединенного с поршнем-вытеснителем, совершающим измерительные циклы в калиброванной трубе «компакт-прувера»; поз. 56 обозначен контроллер, выполняющий роль вторичного прибора для подсчета импульсов от расходомера и вычисления коэффициента преобразования.
На фиг. 4 приведен рисунок, поясняющий принцип действия примененного в прувере (фиг. 2) предельного выключателя (односигнального детектора), который имеет нормально разомкнутый контакт геркона (поз. 61), замыкаемый в момент выдавливания поршнем-вытеснителем (при его движении) штока детектора (поз. 25) в соответствующее «гнездо» для управления с помощью магнитной детали (поз. 60) состоянием контакта геркона.
На фиг. 5 приведен рисунок, поясняющий возможность получения нескольких сигналов о срабатывании детектора путем включения в работу нескольких герконов (поз. 2), управляемых одной магнитной деталью (поз. 1) детектора (на рисунке фиг. 4 соответственно поз. 61 и 60).
В качестве детекторов начального (конечного) положения поршня-вытеснителя в заявленной ТПУ возможно применение детектора с заменой одного нормально разомкнутого контакта на контактную группу, позволяющую при срабатывании детектора независимо замыкать ряд (более одного) нормально разомкнутых контактов, что, соответственно, позволяет заменить несколько детекторов на упомянутый детектор с контактной группой.
При оснащении устройств, приведенных на фиг. 2 и фиг. 3, дополнительными детекторами начального и конечного положений поршня-вытеснителя возможно осуществление заявленной ТПУ, схематично представленной на фиг. 6, где:
1 - калиброванный участок трубопровода;
2 - поршень-вытеснитель;
3 - вторичный прибор;
4 - расходомер, объемный счетчик или массовый счетчик;
5 - переключатель направления потока измеряемой среды в ТПУ;
6, 7, 8, 9, 10, 11 - детекторы положений поршня-вытеснителя.
Как показано на фиг. 6, вторичный прибор (поз. 3) подключен к поверяемому (калибруемому) расходомеру (поз. 4) и детекторам положения поршня-вытеснителя, из которых можно выделить детекторы начального положения поршня-вытеснителя - поз. 6, 7, 8, детекторы конечного положения - поз. 9, 10, 11.
i-j
Непрерывно поступающие на вторичный прибор импульсы от расходомера учитываются вторичным прибором как последовательности импульсов, ограниченных моментами срабатывания детекторов. Например, при одном проходе поршня-вытеснителя в калиброванном участке трубопровода от начального до конечного положения и работе вторичного прибора с детекторами №№6, 7, 8, 9, 10, 11, измерительная информация состоит из приведенных ниже последовательностей импульсов N (индексом i обозначены детекторы начального положения поршня-вытеснителя, соответственно, индексом j обозначены детекторы конечного положения поршня-вытеснителя):
6-9
6-10
6-11
7-9
7-10
7-11
8-9
8-10
8-11
N, N, N, N, N, N, N, N, N.
Каждой последовательности импульсов соответствует определенный объем вытесненной измеряемой среды при движении поршня-вытеснителя по калиброванному участку трубопровода, ограниченный моментами срабатывания соответствующих детекторов.
i-j
i-j
i-j
Общее количество детекторов должно быть таким, чтобы импульсные последовательности, пропорциональные определенным объемам, в сумме обеспечили достоверный результат определения коэффициента преобразования поверяемого (калибруемого) расходомера в соответствии с заявленным способом ускоренной поверки (калибровки) расходомера, при котором с помощью дополнительных измерительных каналов вторичного прибора ТПУ под управлением соответствующего программного обеспечения производят вычисление коэффициента преобразования расходомера как отношения суммы достаточного количества импульсов импульсных последовательностей N (где i, j - номера детекторов начального и конечного положения поршня-вытеснителя, управляющих работой вторичного прибора по формированию импульсных последовательностей) и отнесение полученной суммы - ΣN к сумме - ΣV соответствующих объемов вытесненной измеряемой среды, ограниченных моментами срабатывания соответствующих детекторов за период времени прохода поршня-вытеснителя по калиброванному участку трубопровода от начального до конечного положения или за один цикл (движение поршня-вытеснителя в прямом и обратном направлениях).
i-j
j-i
i-j
j-i
При учете циклов работы ТПУ сумма импульсных последовательностей содержит значения как N, так и N, соответственно, в сумме объемов ТПУ содержатся значения как V, так и V.