Импульсный счетчик-расходомер газа

Импульсный счетчик-расходомер газа


В статье обоснованы преимущества применения нового метода импульсного преобразования расхода. Рассмотрена структура и характеристики разработанного импульсного счетчика-расходомера газа, отличительной особенностью которого является широкий диапазон измерений расхода.

Разработчики расходомеров знают, что каждый метод измерения расхода имеет свои предельные значения диапазона измерения. Граничные условия применимости того или иного метода измерения накладывают естественные ограничения на метрологические характеристики преобразователей расхода и преодоление этих ограничений забирает все больше ресурсов. Поэтому возникают естественные вопросы:
• В каком направлении должны развиваться разработки новых расходомеров?
• За счет каких ресурсов можно расширять диапазон измерений и повышать точность?

Взаимосвязь основных параметров средств измерений


В информационной теории измерения П.В. Новицким, на основе негаэнтропийного принципа информации, сформулированного Л. Бриллюэном, предложен общий закон взаимосвязи основных параметров средств измерений [1].
Закон устанавливает взаимосвязь между относительной погрешностью измерения , мощностью , отбираемой средством измерения от измеряемого процесса за время измерения , энергетическим КПД прибора , определяемым порогом энергетической чувствительности прибора к измеряемой величине, и минимальным энергетическим порогом чувствительности средств измерения, равнымИмпульсный счетчик-расходомер газа
Импульсный счетчик-расходомер газа(1)

Другими словами, точность измерений определяется тем, какую энергию получил прибор от измеряемого процесса и тем, какую часть этой энергии он преобразовал в полезную информацию.
Из закона следует, что уменьшать погрешность измерения возможно за счет более полного использования следующих ресурсов:
1. Потребление мощности от измеряемого процесса.
2. Увеличения времени измерения.
3. Повышения энергетической чувствительности преобразования.

С точки зрения измерения расхода первый пункт означает, что чем больше будет перепад давления на счетчике-расходомере, тем точнее будет результат измерения. Эту закономерность подтверждают характеристики многих применяемых расходомеров.

Увеличение времени измерения предполагает больший интервал времени отбора мощности от измеряемого процесса. Этому критерию соответствуют интегрирующие методы измерения расхода.

Понятие порога энергетической чувствительности является более общим, чем понятие порога чувствительности измерительного устройства. Однако, это связанные понятия и для анализа может использоваться порог чувствительности.

Импульсное преобразование


Импульсные преобразователи параметров непрерывного процесса нашли широкое применение в различных областях техники. В электротехнике, энергетике, связи, измерительной технике они позволяют существенно улучшить массо-габаритные, точностные, надежностные характеристики оборудования, осуществляя промежуточное импульсное преобразование параметров непрерывного процесса.

Рассмотрим перспективы применения импульсного преобразования при измерении расхода газа. Оценим метод импульсного преобразования расхода газа, предложенный в [2] с позиций общего закона взаимосвязи основных параметров средств измерений.

В упрощенном виде суть импульсного преобразования расхода можно изложить исходя из следующих соображений:
• Наибольшая точность измерения физической величины достигается в узком диапазоне в окрестности применяемой меры. Следовательно, диапазон изменения скорости потока через счетчик-расходомер должен быть узким. В идеале скорость должна быть неизменна.
• Но потребителю требуется широкий диапазон расходов. Следовательно, поток через счетчик должен быть разрывным, импульсным.
• Тогда переменной величиной становится время импульса потока. Интервал времени измеряется проще и намного точнее, чем расход. Следовательно, переход к импульсному преобразованию повысит точность измерения.
• Поскольку поток должен прерываться полностью, то нижняя граница диапазона измерения будет определяться только утечкой устройства прерывания потока (клапана). Следовательно, переход к импульсному преобразованию расширит диапазон измерений расхода.
• Поскольку потребителю требуется постоянное давление газа, то после импульсного
преобразования необходима буферная камера и регулятор давления. Объем буферной камеры будет определять частоту поступления импульсов потока, исполняя роль измерительной камеры.

Счетчик-расходомер газа «Прамер-210»


Рассмотрим один из вариантов реализации импульсного преобразования при измерении расхода газа. Структурная схема импульсного счетчика-расходомера газа приведена на Рис.1

Импульсный счетчик-расходомер газа

Рис.1. Структурная схема импульсного счетчика-расходомера газа


Счетчик-расходомер состоит из клапана, измерительной камеры и регулятора давления.
Функцией клапана является импульсное восполнение в измерительной камере объема газа, ушедшего потребителю. Регулятор поддерживает у потребителя постоянное давление, необходимое на нагрузке, поскольку промежуточное импульсное преобразование не должно влиять на режим потребления газа потребителем.

Для нормальной работы каждому из элементов импульсного счетчика-расходомера необходим достаточный ресурс по перепаду давления. Поэтому рассматриваемый импульсный счетчик предназначен для установки в диапазоне входных давлений от 0,2 МПа до 0,6 МПа. Причем, чем больше на нем будет перепад давления, тем точней будет измерение. Значит, импульсный метод измерения расхода позволяет максимально использовать ресурс потребления мощности от измеряемого процесса.

С точки зрения времени преобразования импульсный счетчик является интегрирующим, т.е. обеспечивает процесс измерения в течение всего интервала времени измерения расхода газа, а значит, максимально использует ресурс времени измерения. Чем меньше поток газа, т.е. чем меньше мощность сигнала, тем больше интервал времени интегрирования в одном цикле преобразования.

С точки зрения использования импульсным методом измерения ресурса энергетической чувствительности, расходомер должен обеспечить чувствительность к минимальному потоку газа. Какой расходомер может обеспечить большую чувствительность к потоку газа, чем клапан, полностью перекрывающий поток и имеющий пренебрежимо малые утечки? При этом расход газа потребителем не прерывается, не изменяется и может быть минимальным. Клапан обязательно сработает после истечения из измерительной камеры кванта газа, если расход вытекающего к потребителю газа больше, чем утечка клапана.

Таким образом, согласно формуле (1) закона взаимосвязи основных параметров средств измерений [1], импульсный метод измерения расхода позволяет достаточно полно использовать все имеющиеся ресурсы для повышения точности измерения, что дает ему преимущество по сравнению с другими методами измерения расхода.

Уравнения преобразования


Запишем уравнения баланса, прошедшего через счетчик газа, в течение одного цикла работы счетчика. Среднюю за цикл температуру считаем постоянной и равной стандартной.
Для открытого состояния клапана.
Разность втекающих и вытекающих потоков газа поднимает давление в измерительной камере от P2 до P1.
Импульсный счетчик-расходомер газа
(2)
где Gкл, Gnom - соответственно, средний расход через клапан и средний расход потребителя за время открытого состояния клапана ti, приведенные к стандартным условиям.
Pст - стандартное давление, V - объем измерительной камеры.

Для закрытого состояния клапана.

Вытекающий из счетчика поток газа снижает давление в измерительной камере от P2 до P1.
Импульсный счетчик-расходомер газа
(3)
t - период цикла работы счетчика при среднем расходе потребителя Gnom, неизменном в течение периода, ti - время открытого состояния клапана, (P1-P2) - перепад давления в измерительной камере с объемом V.
В зависимости от того, какие параметры преобразования мы контролируем, возможны два наиболее простых варианта. Полагаем, что за период импульса расход потребителя Gnom неизменен.

Варианты импульсных счетчиков


1-й вариант
При измерении или стабилизации перепада давления в измерительной камере и измерении временных характеристик переключения клапана, текущий расход газа потребителем определится выражением
Импульсный счетчик-расходомер газа
(4)
В этом варианте метрологические характеристики счетчика определяются стабильностью объема измерительной камеры и точностью измерения перепада давления в ней. Достоинством этого варианта является независимость результата измерения от изменения давления газа в трубопроводе, поскольку в выражении (4) результат определяется разностью давлений.

Первый вариант наиболее эффективен при использовании в счетчике электромагнитных клапанов. Либо одного клапана на входе измерительной камеры, либо двух клапанов по концам измерительной камеры, и управлении ими с помощью датчика давления. Такая структура может выполнять как функции расходомера, так и дозатора газа.

Экспериментальный счетчик с контролем перепада давления в измерительной камере, выполненный на малые расходы до 100 дм3/мин на основе двух электромагнитных клапанов, был изготовлен в ЗАО «Промсервис» и показал возможность проведения точных измерений расхода газа в динамическом диапазоне измерения 1:2000 [3].

2-й вариант
При стабилизации расхода через клапан и измерении временных характеристик переключения клапана, расход газа потребителем определится выражением
Импульсный счетчик-расходомер газа
(5)
где Gкл(K) - величина расхода через открытый клапан, среднее за период значение которого постоянно, или, в общем случае, является известной функцией от K.
K=ti/t - коэффициент заполнения импульсного выходного сигнала, ti - время открытого состояния клапана, t - период пульсаций клапана.
Для построения счетчика по второму варианту, на основе стабилизации потока газа через клапан, был применен магнитомеханический клапан с гистерезисной характеристикой. Клапан использует энергию потока. Клапан скачком открывается, когда перепад давления на клапане достигает верхнего порогового значения, и скачком закрывается, когда клапан восполнил в измерительной камере объем (квант) газа, ушедший ранее к потребителю.
При разработке вариантов реализации импульсного счетчика-расходомера, были выбраны такие решения, которые позволили минимизировать требования к клапану. От клапана требуется только способность гистерезисного открытия и закрытия, а также, минимальные утечки. И не требуется стабильность границ гистерезиса. Но тогда стабильность характеристики преобразования должна задаваться и поддерживаться с помощью других элементов прибора.
Стабилизировать расход через клапан, проще всего обеспечив через него критический режим истечения газа. Тогда магнитомеханический клапан представляет собой «симбиоз» критического сопла с клапаном.
В этом варианте метрологические характеристики счетчика-расходомера определяются, прежде всего, стабильностью потока газа через критическое сопло клапана. Чем больше расход газа через счетчик, тем больше интервал времени прохождения газа через критическое сопло, и тем больше коэффициент заполнения импульсного выходного сигнала, который формируется с помощью индуктивного датчика положения поршня клапана. При этом благодаря критическому соплу, коэффициент заполнения имеет очень слабую чувствительность к нестабильности порогов срабатывания магнитомеханического клапана. Это позволяет существенно снизить требования к конструкции и материалам клапана, уменьшить его стоимость и повысить ресурс надежности.

Характеристики импульсного счетчика-расходомера «Прамер-210»


Импульсный счетчик-расходомер газа «Прамер-210» на основе магнитомеханического клапана с критическим истечением газа через встроенное в клапан сопло, разработан в ЗАО «Промсервис» и в настоящее время проходит испытания.
В соответствии с техническим заданием, разрабатываемый счетчик-расходомер газа должен обеспечить следующие характеристики:
• диапазон измеряемых расходов не хуже 0,2- 40 м3/час (1:200), приведенных к стандартным условиям.
• пределы допускаемой относительной погрешности измерения объема не более ± 1 % при расходе от 40 до 2 м3/час и не более ±2% при расходе от 2 до 0,2 м3/час, приведенных к стандартным условиям.

Предельную относительную погрешность широкодиапазонного счетчика-расходомера можно задать также с помощью трехчленной формулы [4].
Импульсный счетчик-расходомер газа
(6),
где G, Gн, Gв- соответственно, значения измеряемого расхода, нижней и верхней границ диапазона измерения;
Импульсный счетчик-расходомер газа - соответственно, аддитивная, мультипликативная и нелинейная (гиперболическая) составляющие предельной относительной погрешности.
Тогда для приведенных выше значений, формула, определяющая предельную относительную погрешность счетчика-расходомера, будет иметь вид
Импульсный счетчик-расходомер газа
(7)
Значение расхода газа через клапан, приведенное к стандартным условиям, определяется в процессе градуировки при давлении на входе счетчика 0,4 МПа и различных выходных расходах. Выходные расходы задаются с помощью набора критических сопел. Расход через критические сопла может проверяться с помощью эталонной измерительной камеры.
На Рис.2 показан макет импульсного счетчика-расходомера, обеспечивающий приведенные выше технические характеристики.
Он включает в себя:
• преобразователь расхода магнитомеханический клапан (ППР);
• преобразователь давления 600 кПа(ППД);
• преобразователь температуры Pt 500 (ППТ);
• измерительно-вычислительный блок с напряжением питания 3,6 В (ВП).

На Рис.3 изображена структурная схема счетчика-расходомера с регистратором и буферным объемом.

Импульсный счетчик-расходомер газа

Рис. 2 Макет импульсного счетчика-расходомера.


Импульсный счетчик-расходомер газа

Рис. 3 Структурная схема счетчика-расходомера с регистратором и буферным объемом.


При критическом истечении газа из клапана изменение буферного объема практически не влияет на коэффициент заполнения счетчика, т.е. градуировочная характеристика не изменяется, а изменяется только время пульсации. Поэтому в качестве буферного объема может использоваться объем трубопровода, подводящего газ к потребителю. Минимальный период пульсации, соответствующий максимальному расходу 40 м3/ч, задан равным 1 с. при измерительном объеме 8л и растет пропорционально росту объема. Соответственно, период при минимальном расходе 200 с. На выходе счетчика формируется число-импульсный сигнал с ценой импульса 0,1 м3, приведенный к стандартным условиям.
В качестве регистратора могут применятся корректоры газа, компьютер, специальные счетчики и т.д., а также, специализированный регистратор собственного производства.
Регистратор соединен с измерительным участком через барьер искрозащиты.
Пример характеристики изменения расхода газа через клапан для диапазона измерений расхода через счетчик от 0,2 до 48 м3/час приведен в таблице 1 и на Рис. 4 .
Теоретически, при неизменных значениях давления и температуры на входе сопла клапана, критический расход должен быть постоянным во всем диапазоне измерения. В действительности, его значение несколько уменьшается с приближением к нижней границе диапазона измерения. Это может быть следствием влияния переходных процессов при импульсном открытии критического сопла. Однако, уменьшение значения критического расхода сопла клапана незначительно и легко аппроксимируется.
Таблица 1
Импульсный счетчик-расходомер газа


Импульсный счетчик-расходомер газа

Рис.4. Характеристики изменения расхода газа через клапан для диапазона измерений расхода через счетчик от 0,2 до 48 м3/час
Текущий расход счетчика-расходомера, приведенный к стандартным условиям, рассчитывается по формуле
Импульсный счетчик-расходомер газа
(8)
где Gкл(K) - значение расхода газа через сопло клапана м3/час, приведенное к стандартным условиям.
K - коэффициент заполнения импульсного выходного сигнала клапана.
В таблице 2 и на рис. 5 приведен пример характеристики импульсного счетчика-расходомера (текущий расход - коэффициент заполнения) в динамическом диапазоне измерений 1:230.


Рис.5 Характеристика преобразования (текущий расход - коэффициент заполнения) импульсного счетчика-расходомера в динамическом диапазоне измерения 1:230.
Таблица 2
Импульсный счетчик-расходомер газа


Импульсный счетчик-расходомер газа

Характеристика практически линейна во всем диапазоне измерения. Счетчик обеспечивает в диапазоне измерения заявленную точность. Диапазон измерений 1:200, оговоренный в техническом задании, определяется возможностями существующего эталонного стенда. В действительности, диапазон измерений больше и составляет величину не менее 1:500.

Квант объема газа V0i, проходящего через счетчик за один цикл пульсации, рассчитывается по формуле
Импульсный счетчик-расходомер газа
(8)
где ti - время открытого состояния клапана.
Общий объем газа, прошедшего через счетчик, равен сумме объемов прошедших квантов.
Различные варианты структур импульсных счетчиков рассмотрены в [5].
Структурные схемы импульсных счетчиков защищены патентами [2,6].

Выводы
• Применение импульсного преобразования позволяет в значительной степени использовать ресурсы, определяемые общим законом взаимосвязи основных параметров средств измерения, для повышения точности измерения расхода газа.
• Полученные практические результаты испытаний импульсного счетчика-расходомера позволяют сделать заключение о перспективности применения метода импульсного преобразования для измерения расхода газа в широком диапазоне расходов.
• Простота конструкции счетчика-расходомера позволяет достичь низкой стоимости узла учета газа.



Цыбульский Олег Андреевич, к.т.н.,
руководитель лаборатории ЗАО «ПромСервис»,
ЗАО «Промсервис», РФ, 433502, Ульяновская обл.,
г. Димитровград, ул. 50 лет Октября, д. 112
Тел\факс (84235) 2-18-07, 4-55-59, т.моб. 89278341768,
multimer@promservis.ru, www.promservis.ru

Добавить

КОММЕНТАРИИ

Уважаемый посетитель, Вы зашли на сайт как незарегистрированный пользователь.
Мы рекомендуем Вам зарегистрироваться либо войти на сайт под своим именем.
Информация
Посетители, находящиеся в группе Гости, не могут оставлять комментарии к данной публикации.



   Написать