способ корректировки расхода и система для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ корректировки расхода, определяемого путем измерения перепада давления на сужающем устройстве угловым и радиальным методами отбора, измерения давления на входе в сужающее устройство при угловом и радиальном методах отбора и температуры и состава измеряемого потока (в первом канале), заключающийся в том, что расход измеряемого потока принудительно изменяют от максимального до минимального допустимого значения и обратно, измерение параметров производят в момент перехода значениями расхода верхних пределов измерения ряда дифманометров, по измеренным параметрам рассчитывают мультипликативную и аддитивную поправки, число Рейнольдса в пределах измерения расхода в рабочих условиях и коэффициент расхода в рабочих условиях, по которому корректируют величину измеряемого расхода.

2. Способ по п.1, заключающийся в том, что при принудительном измерении расхода изменяют расход потока в параллельном канале, поддерживая неизменный общий расход в системе.

3. Система для корректировки расхода, содержащая дифманометры и манометр абсолютного давления, соединенные с соответствующими коммутирующими устройствами, датчик температуры потока, анализатор состава, соединенный с пробоотборным устройством, управляющее устройство, регулирующую арматуру и n дифманометров с последовательно уменьшающимися верхними пределами измерений, соединенных с коммутирующим устройством дифманометров и подключенных ко входам вычислительного устройства, другие входы которого соединены с дифманометрами, манометром абсолютного давления и датчиком температуры потока, а выходы - с коммутирующими устройствами дифманометров и манометра абсолютного давления, и через управляющие устройства - с регулирующей арматурой.

4. Система по п.3, содержащая дополнительные управляющее устройство и регулирующую арматуру, установленную во втором канале измерения расхода и подсоединенную к вычислительному устройству через дополнительное управляющее устройство.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технике измерения расхода методом переменного перепада давления с сужающим устройством.

Известны правила измерения расхода газов и жидкостей методом переменного перепада давления и общие технические требования к расходомерным устройствам [1] . Правила устанавливают требования к выполнению расходомерных устройств при их разработке, проектировании, монтаже и эксплуатации. Известен также стандарт ISO [2], в котором определены на международном уровне ряд экспериментально обоснованных соотношений, которые приняты для практического применения в инженерной практике.

Отличительной особенностью расходмеров переменного перепада давления (РПП) является возможность определения массового (Q_m) или объемного (Q_o) расходов расчетом по уравнению

Q_m= 0,25d²(2P)^0,5, (1)

где

- константа;

- коэффициент расхода;

- коэффициент расширения;

d - внутренний диаметр отверстия сужающего устройства в рабочих условиях;

P - перепад давления на сужающем устройстве;

- плотность потока измеряемой среды.

Коэффициент расхода () имеет форму аппроксимирующей кривой в виде уравнения Штольца [1, 2], которая при определенных ограничениях обеспечивает высокую точность расчета коэффициента расхода (для диафрагм - это 0,6% при относительной площади сужающего устройства (СУ) m = (d/D)², где D внутренний диаметр трубопровода в рабочих условиях).

_Re= C(m)+B(m)(10⁶/Re)^A, (2)

где

C(m), B(m) и A - параметры аппроксимирующей кривой, зависящие от типа сужающего устройства [2].

В частности, для диафрагм с угловым отбором перепада давления (далее будет приписываться индекс - y) имеем [1] A = 0,75

C(m)_y = (0,5959+0,0312 m^1,05 - 0,184 m⁴)/ (1-m²)^0,5, (3)

B(m)_y = 0.0029 m^1,25/(1-m²)^0,5, (4)

а для радиального отбора перепада давления (далее будет приписываться индекс - p) имеем [2]

C(m)_p= [0,5959+0,0312 m^1,05-0,184 m⁴+0,039 m² (1-m²)^-1-0,0337 0,47 m^1,5] /(1-m²)^0,5, (5)

B(m)_p=B(m)_y.

Число Рейнольдса

Re = 4Q_m/(D), (6)

где

- коэффициент динамической вязкости в рабочих условиях.

Коэффициент расширения, отражающий форму термодинамического процесса между точками отбора перепада давления (P), считается по уравнению типа

= (m,,P/P),

где

- показатель адиабаты;

P - абсолютное давление в первой точке при отборе перепада давления.

В частности, для диафрагм с угловым, фланцевым и радиальным отборами перепада давления имеем [1, 2]

= 1-(0,41+0,35m²)P/(P). (7)

Физические характеристики вещества: плотность (), коэффициент динамической вязкости () и показатель адиабаты () используются в рабочих условиях (при фиксированных температуре T, абсолютном давлении P и составе среды).

Основным недостатком такого подхода при расчете расхода является отсутствие надежных методик по определению соответствия конкретного измерительного первичного преобразователя (ПП) ограничениям, зафиксированным в нормативных документах [1, 2].

Из известных способов наиболее близким к предлагаемому является способ диагностики расходомера переменного перепада давления путем измерения перепада давления с угловым и радиальным методами отбора, измерения давления на входе в сужающее устройство при угловом и радиальном методах отбора и температуры и состава измеряемого потока [3].

Недостатком известного способа является возможность его применения только для диагностики расходомера в то время, когда часто требуется более точное определение или корректировка расхода в соответствии с изменяющимися условиями проведения измерения.

Из известных систем измерения расхода наиболее близкой к предлагаемой является система для измерения и диагностирования расхода при изменяющихся условиях проведения измерения [3].

Однако известная система характеризуется недостаточной точностью определения расхода.

Наиболее сложно проконтроллировать величину шероховатости на входе в сужающее устройство, величину остроты (либо степень притупления) входной кромки диафрагмы, отсутствие несоосности между осью трубопровода в ПП и СУ, характер изменения этих показателей в процессе эксплуатации ПП.

Важной характеристикой ПП является минимально допустимая длина прямолинейных участков перед и после СУ (соответственно L"_доп и L""_доп). Уменьшение длины прямолинейных участков L" и L"" по отношению к допустимым значениям приводит к возникновению дополнительной аддитивной поправки (_L) при расчете коэффициента расхода (_pc) в виде

_pc= +_L. (8a)

Рекомендации по расчету (_L) носят эмпирический характер, что дает возможность оценить верхнюю границу указанной погрешности (см. Приложение 5 в [1]). Наличие несоосности и деформации сужающего устройства также отражается величиной _L.

Временной дрейф шероховатости и притупления входной кромки диафрагмы приводит к возникновению мультипликативной поправки (₁), которая в настоящее время учитывается в виде введения поправки на шероховатость (K_ш) и на притупление входной кромки (K_п)

_pc=₁, (8б)

где

₁= K_шK_п .

Максимальные значения величин K_ш и K_п рекомендуется считать по соотношения, найденным эмпирическим путем и зафиксированным в нормативном документе [1].

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является определение величин _L и ₁ для конкретного ПП в процессе измерения путем создания специального режима, охватывающего диапазон измерения числа Рейнольдса от минимального (Re_min) до максимального (Re_max) значений и системы для реализации этого режима. Величина Re_min соответствует ближайшему большему значению числа Рейнольдса к минимально возможному для данного типа СУ, рекомендованному нормативным документов [1, 2] и соответствующему верхнему пределу измерения дифманометра (ДМ). В некоторых случаях допустимо принимать в качестве Re_min нижнее значение числа Рейнольдса в рекомендуемом диапазоне измерения (Re_min = Re_max/3). В последующем эти значения обозначим соответственно Re₁ и P_н1 .

Технический результат достигается тем, что в способе корректировки расхода, определяемого методом переменного перепада давлений, путем измерения перепада давления на сужающем устройстве угловым и радиальным методами отбора, измерения давления на входе в сужающее устройство при угловом и радиальном методах отбора и температуры и состава измеряемого потока, расход измеряемого потока принудительно изменяют от максимального до минимального допустимого значения и обратно, измерения производят в момент перехода значениями расхода верхних пределов измерения ряда дифманометров, по измеренным параметрам рассчитывают в темпе измерения мультипликативную и аддитивную поправки, число Рейнольдса в пределах расходомера в рабочих условиях и коэффициент расхода в рабочих условиях, по которому соответственно корректируют величину измеренного расхода.

Дополнительный результат достигается тем, что при принудительном изменении расхода соответственно изменяют расход потока в параллельном канале, поддерживая при необходимости таким образом неизменный общий расход в системе.

Технический результат достигается тем, что система для осуществления способа, содержащая сужающее устройство с измерительными каналами с угловым и радиальным методами отбора давлений, соединенными с дифманометрами через коммутирующее устройство дифманометров и с манометром абсолютного давления через коммутирующее устройство манометра, датчик температуры, соединенный с вычислительным устройством, другие входы которого соединены с дифманометрами и манометром абсолютного давления, а выход -с коммутирующими устройствами, дополнительно содержит n дифманометров с последовательно уменьшающимся верхними пределами измерений, пробоотборное устройство и анализатор состава, управляющее устройство и регулирующую арматуру, причем n дифманометров с последовательно уменьшающимися верхними пределами измерений соединены с коммутирующим устройством дифманометров и подключены к входам вычислительного устройства, пробоотборное устройство соединено с анализатором состава, выход которого соединен с входом вычислительного устройства, а выход последнего через управляющее устройство соединен с регулирующей арматурой.

Дополнительный технический результат достигается тем, что система в случае необходимости содержит второй канал - дополнительную регулирующую арматуру и дополнительное управляющее устройство, причем дополнительная регулирующая арматура, установленная на втором канале, подсоединена к вычислительному устройству через дополнительное управляющее устройство.

На чертеже приведена принципиальная схема системы, реализующей способ корректировки расхода, определяемого методом переменного перепада давления.

Сужающее устройство, например диафрагма 1, расположено на участке трубопроводов 2, состоящем из прямого участка 3 от запорной арматуры 4 по ходу потока до сужающего устройства 1 и прямого участка 5 от сужающего устройства до регулирующей арматуры 6. На прямом участке трубопровода 2 расположена также запорная арматура 7.

Отборы давлений от сужающего устройства осуществляются с помощью пробоотборников 8 и 9 с угловым методом отбора перепада давления и с радиальным методом отбора перепада давления, которые соединены с коммутирующим устройством дифманометров 10. Последнее подключено к дифманометру 11, постоянно подключенному к измерительному каналу с угловым методом отбора давлений, дифманометру 12 с радиальным методом отбора давлений и к дифманометрам 13-1. . . 13-n, имеющим различные верхние пределы измерений (от p_нn, соответствующего максимальному расходу по ГОСТ 18140-84, до p_н1, соответствующего минимальному расходу). Все дифманометры имеют на выходе сигналы в нормированной форме. Выходы дифманомеров соединены с входом вычислительного устройства 14.

К одной из трубок пробоотборника 8 и соответственно 9 подключено коммутирующее устройство манометра 15, выходы которого соединены с входом манометра 16 абсолютного давления, предназначенного для преобразования абсолютного давления на входе в сужающее устройство при угловом и радиальном методах отбора перепада давления в нормированный сигнал на выходе. Выход манометра 16 соединен с входом вычислительного устройства 14, к соответствующим входам которого подключены выходы датчика 17 температуры потока и анализатора 18 состава и влажности среды, соединенного с трубопроводом через пробоотборное устройство 19. Выходы вычислительного устройства соединены с одним из входов коммутирующего устройства дифманометров 10 и коммутирующего устройства манометра 15, а также через управляющее устройство 20 с регулирующей арматурой 6.

Система может также включать второй канал измерения расхода, содержащий запорную арматуру 21 и 22 и регулирующую арматуру 23, соединенную с вычислительным устройством 14 через управляющее устройство (не показано).

Способ корректировки расхода осуществляется с помощью системы следующим образом.

Путем тождественных преобразований уравнение (1) может быть записано в виде

Re = Dm(2P)^0,5/. (9)

Введем обобщенную характеристику C_ф

Re/(m) = C_ф= (D/)(2P)^0,5, (10)

которая может быть рассчитана независимо как по левому, так и по правому равенству.

Коэффициент расхода в уравнениях (9) и (10) может быть рассчитан как по уравнению (2) ( = _Re), так и по уравнению

= _P= C(m)₁/K_c, (11)

где

параметр K_с

K_c=1-П_c{{{1-П_с{{1-П_с{1-П_с[1-П_с [1-П_с]^1+A]^1+A}^1+A}}^1+A}}}^1+A, (11a)

где безразмерный параметр

П_c= {B(m)/[C(m)]^1+A}[10⁶/(mC_ф1)]^A.

Различие при расчете коэффициента расхода по формулам (2) и (11) обнаруживается в седьмой значащей цифре для всех охваченных нормативными документами СУ во всех допустимых областях изменения относительной площади и чисел Рейнольдса.

Обратим внимание, что величина обобщенной характеристики C_ф на основании правой части равенства (10) может быть рассчитана только по экспериментально полученным в процессе измерения величинам, поэтому она сама является экспериментальной величиной, для расчета которой достаточно экспериментальных данных информационных каналов, приведенных на чертеже. Знать величину числа Рейнольдса для определения коэффициента расхода не нужно (в отличие от уравнения (2)).

Соотношения в соответствии с равенствами (8а) и (8б) могут быть скорректированы.

Уравнение (2) приобретает вид

_Re= [C+B(m)(10⁶/Re)^A]₁, (12)

где

C= C(m)+,a = _L/₁.

В уравнении (11) величину C(m) следует заменить на C. Тогда получаем

_P= C₁/K_c, (13)

где K_c считается по тому-же соотношению, что и в уравнении (11а), но величину П_с следует считать по равенству



Для двух информационных каналов при одновременном получении информации можно рассчитать либо отношение коэффициентов расхода



либо перепад давления при радиальном отборе



либо коэффициент расширения при угловом отборе перепада давления



где

x = (P_p)^0,5, z = (P_y/P_p)^0,5 (здесь и далее индексами p и y обозначены параметры и перемененные, соответствующие радиальному и угловому отбору перепада давления).

Величина ₁ в левой части равенства (15) сокращается, и коэффициенты расхода могут быть рассчитаны по уравнению (12) при ₁= 1 , а коэффициенты расхода при этом могут считаться по равенству

= _т+, (18)

где теоретическое значение коэффициента расхода (_т) считается по равенству (2).

С учетом высказанных соображений из формулы (15) получаем

= [E(_т)_y-(_т)_p]/(1-E), (19)

где параметр E совпадает с правой частью равенства (15).

Так как параметр E не может равняться единице (_{y p}), поэтому равенство нулю числителя говорит об отсутствии аддитивной составляющей погрешности при расчете коэффициента расхода.

В том случае, если не равна нулю, реализуется алгоритм корректировки.

В основе алгоритма корректировки лежит гипотеза о том, что при одном и том же числе Рейнольдса поправки ₁ при угловом и радиальном отборах перепада давления практически равны, а поправка _L не зависит от числа Рейнольдса и остается величиной постоянной для данного первичного преобразователя РПП, так как погрешность, возникающая от ее неучета, трактуется [1] как систематическая.

Расчет оценок параметров при корректировке осуществляется в два этапа (оценки параметров обозначаются в дальнейшем символом ^):

определение аддитивной поправки к коэффициенту расхода

расчет мультипликативной поправки числа Рейнольдса , действующего в пределах расходомера в рабочих условиях, и коэффициента расхода в рабочих условиях

Исходные положения алгоритма корректировки:

постоянная составляющая аддитивной поправки (_L) фиксируется для всего диапазона изменения перепадов давления;

мультипликативная поправка (₁) во всем диапазоне изменения перепадов давления не должна выходить за допустимые значения: от единицы (меньшие значения не имеют физического смысла) до произведения поправок на шероховатость (K_ш) и притупления входной в диафрагму кромки (K_п) (эта величина может быть увеличена).

Максимальное значение мультипликативной поправки экспериментально обосновано, рекомендованы условия применимости в зависимости от относительного диаметра СУ, диаметра трубопровода и относительной шероховатости трубопровода в зоне ПП и регламентирован порядок расчета в нормативных документах [1].

В первом приближении принимается, что

₁= _1m= K_шK_п, (20)

при максимальном перепаде давления. Исходя из этого считается по соответствующему алгоритму значение поправки _L, фиксируется эта величина в качестве рекомендуемого значения (_Lрек1) для всего диапазона изменения перепадов давления и находятся расчетные значения параметров (_1i) при каждом перепаде давления P_yi.

При корректировке расхода должны выполняться условия

1_1i1m. (21)

Если при некотором j-м значении перепада давления (P_yj) условие (21) не выполняется, то на втором шаге корректировки условие (20) накладывается на P_yj. при котором находится (_Lрек2), и далее процедура корректировки повторяется, пока не выполнится условие (21).

Если в процессе поиска решения окажется, что _1i меньше единицы, то необходимо минимальному значению ₁ присвоить значение единица и пересчитать В результате будет найдено _Lрек3, которое является окончательным, но условие (21) не будет выполняться.

С помощью регулирующей арматуры 6, которая находится в положении, обеспечивающем величину максимального расхода Q_max, текущий расход уменьшается до тех пор, пока не будет достигнут (в угловой либо радиальной линии отбора) перепад давления - верхний предел измерения (n-1) дифманометра 13. Предварительная информация об этом в вычислительное устройство 14 поступает от дифманометров 11 и 12.

В момент достижения текущим расходом указанной величины кроме нее в вычислительном устройстве фиксируются абсолютные статические давления p_y и p_p (с помощью манометра 16), перепад давления p_(n-1) во второй линии и величина температуры T. Представительными считаются только те данные, которые получены при условии неизменности во время фиксируемых переменных, что достигается выбором скорости изменения расхода и контролем за характером изменения переменных во времени.

Процедура повторяется каждый раз, когда перепад давления уменьшается до верхнего предела измерения ДМ а затем увеличивается от .

Производится расчет обобщенной характеристики C_фy1, C_фy2, ...C_фyn при соответствующем значении перепада давления с угловым отбором, величины которых используются в качестве исходных данных в процедуре корректировки.

В процессе проведения экспериментов необходимо зафиксировать всю необходимую информацию, по которой считываются основная и дополнительная погрешности информационных каналов по перепаду давления, абсолютному давлению, температуре, составу измеряемой среды. Эта информация используется для расчета основной и дополнительной погрешностей информационных каналов, участвующих в измерительном процессе.

В случае необходимости поддержания неизменным общего расхода в системе вычислительное устройство 14 при принудительном изменении расхода в первом канале посылает соответствующие команды и на дополнительную регулирующую арматуру 23, установленную на параллельном канале.

Алгоритм расчета постоянной составляющей аддитивной поправки к коэффициенту расхода _L .

1. Фиксируется величина _1m= K_шK_п= 1,046328. На первом этапе находятся соответствующий _1m параметр _m и число Рейнольдса Re_ym.

1.1 Принимается на первом шаге _m1= 0 и P_yi= P_нy1.

1.2 По формуле (14) считается П_cm.

1.3 По формуле (11а) считается K_cm.

1.4 По формуле (13) считается _ym.

1.5 По левой части формулы (10) считается Re_ym1= C_фym_ym.

1.6 По равенству Re_pm= Re_ym(_y/_p) считаем Re_pm.

1.7 По формуле (2) находим (_т)_y и (_т)_p. .

1.8 По формуле (19) считаем второе приближение _m2 .

1.9 Осуществляется проверка условия останова



Если условие (25) не выполняется, то принимается _m1 = _m2 и расчет повторяется, начиная с п.1.1.

Если на j-м шаге условие (25) выполняется, то _m= _mj, а число Рейнольдса Re_m=Re_ymj.

На втором этапе считается величина

_Lрек1= _m1m, (26)

которая фиксируется и рекомендуется для всего диапазона изменения перепада давления P_yi.

Если при всех перепадах выполняется условие (21), то

Если при некотором P_yj условие (21) не выполняется, то возвращаются к работе алгоритма корректировки, при котором фиксируется величина ₁ из условия (20). При этом в п.1.1 величина P_yi= P_yj. Затем производится расчет _Lрек2 и расчет повторяется пока не будет выполнено условие (21) во всем диапазоне изменения перепадов давления.

Если в процессе решения окажется, что в некоторых точках P_yi значение _1i меньше единицы, то в этой точке фиксируется значение ₁, равное единице, рассчитывается _Lрек3, которое является окончательным независимо от выполнения условия (21).

Исследование теоретического алгоритма (без учета погрешности информационных каналов по перепаду давления, давлению и температуре) дает результат что соответствует погрешности расчета постоянной составляющей мультипликативной поправки по формуле



Исследование влияния погрешности информационных каналов показывает, что погрешности по давлению и температуре не оказывают существенного влияния на результат адаптации при условии, что эти информационные каналы имеют относительную погрешность на уровне класса точности 0,05% (погрешность отношения давления при этом не превышает 0,00135%). Решающее значение имеет погрешность информационных каналов по перепадам давления.

Для уменьшения абсолютной погрешности для расходомеров переменного перепада целесообразно наладить выпуск дифманометров и манометров абсолютного давления с нормированным выходным сигналом и нижним пределом измерения, не равным нулю, а равным предыдущему верхнему пределу измерения по нормальному ряду по ГОСТ 18140-84.

Такая работа проделана фирмой Фоксборо, которая выпускает промышленные приборы с программно перестраиваемыми верхним и нижним пределами измерения и классом точности 0,25%.

Использование этих приборов может существенно увеличить точность корректировки расхода, так как абсолютная погрешность многопредельных приборов приблизительно в 3 раза меньше однопредельного прибора.

Алгоритм расчета мультипликативной поправки к коэффициенту расхода .

Алгоритм не отличается от предыдущего, за исключением способа определения величины _1m. Здесь приходится совместить первый и второй этапы и отказаться от возможности задания а принять

Для расчета параметров (при фиксированных _L= _Lрек1 и P_yi) в алгоритме величина ₁ не фиксируется, а определяется расчетом по формуле

₁= _Lрек1/_k, (27)

где

_k - единственная варьируемая переменная (параметр ), которая на первом шаге принимается равной _Lрек1.

Работа алгоритма повторяется при всех перепадах давления P_yi, а остальные параметры представляются в форме, рекомендованной равенствами (22).

Окончательно результаты работы алгоритма корректировки получаем в виде



Для промежуточных значений p_y рекомендуется использовать квадратичный сплайн, обеспечивающий наибольшую точность расчета параметров в промежуточных точках, либо любые регрессионные модели.

Число Рейнольдса в пределах измерения расхода в рабочих условиях находится по уравнению (9), коэффициент расхода в рабочих условиях находится по уравнению (12), а скорректированное значение расхода находится по уравнению (1).

Таким образом, суть способа состоит в использовании существующих соотношений, рекомендованных нормативными документами, которые экспериментально обоснованы на международном уровне [2] и приняты для практического применения в инженерной практике, осуществлении имитации экспериментальной ситуации (заданий _L и ₁), получении результатов, которые можно трактовать как экспериментальные значения, а затем использовании предложенного алгоритма, расчете наиболее вероятных значений и сравнении их с исходными, нахождении уточненных Re, и соответственно скорректированного значения расхода.

Проведенный модельный эксперимент показал

теоретически (без учета точности информационных каналов) алгоритмы корректировки дают возможность рассчитать параметры _L и ₁ с точностью не ниже 0,002%;

несмотря на грубую оценку параметров в зависимости от класса точности ДМ, который используется для производства измерения (погрешность колеблется от 2 до 78,9%, а погрешность - от 0,06 до 0,95%), использование алгоритма корректировки позволяет увеличить точность измерения (уменьшить погрешность определения числа Рейнольдса) в среднем на 2%, если использовать ДМ классом 0,25 и выше. Использование многопредельных дифманометров позволяет еще более увеличить точность измерений расхода.

Источники информации.

1. РД 50-213-80. Правила измерения расхода газов и жидкостей стандартными сужающими устройствами. -М.: Изд-во стандартов, 1982.

2. ISO 5164-1:1991 (E). Measurement of fluid flow by means of pressure differential device - Part 1: Orifice plates, nozzles and Venturi tubes inserted in circuiar cross-section conduits running. First edition 1991-12-15. Swetzerland, 1991, 61 p.

3. А.С. СССР 1647276, кл. G 01 F 25/00, 1991.