вихревой способ измерения объемного количества протекшего вещества

Формула изобретения

1. Вихревой способ измерения объемного количества протекшего вещества, а именно жидкости, пара, газа, при котором в измерительном канале счетчика количества вещества создают периодическое движение вихревых структур, регистрируют их чувствительным элементом в виде выходного периодического сигнала, преобразуют его в импульсный сигнал и объем протекшего вещества определяют по числу импульсов N, зарегистрированных за контролируемый промежуток времени, и весовому коэффициенту К, м³/имп - объем вещества, приходящийся на один импульс, отличающийся тем, что дополнительно измеряют отношение r=f/ , где f, Гц - текущее значение частоты поступающих импульсов; , м²/с - текущее значение коэффициента кинематической вязкости вещества, измеряемое косвенным способом: для жидкости - по ее температуре, для пара и газа - по температуре и давлению, и объем протекшего вещества V, м³, измеряют с использованием формулы V= N-K(r), где К(r), м³/имп - текущее значение весового коэффициента, реперные значения которого определяют путем предварительной градуировки счетчика в заданном диапазоне значений r.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что реперные значения весового коэффициента аппроксимируют в виде зависимости К(r)=а+в/r, где а, в - аппроксимационные коэффициенты, которые затем используют в измерениях при определении текущего значения К(r).

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что реперные значения весового коэффициента аппроксимируют в виде зависимости K(r)=c+d/rⁿ, где с, d, n - аппроксимационные коэффициенты и показатель степени, которые затем используют в измерениях при определении текущего значения К(r).

4. Способ по пп.1-3, отличающийся тем, что при измерении отношения r коэффициент кинематической вязкости полагают постоянным v=const.

Описание изобретения к патенту

Область техники, к которой относится изобретение.

Изобретение относится к измерительной технике, преимущественно к вихревым способам контроля потоков вещества, а именно жидкости, пара, газа, и может быть использовано для измерения объемного количества протекшего вещества в водо-, тепло-, газоснабжении, энергетике, химической, пищевой и других отраслях промышленности.

Характеристика прототипов

Известен вихревой способ измерения объемного количества протекшего вещества, в котором путем установки на входе в измерительный канал счетчика винтового закручивающего устройства создают в канале периодическое движение вихревых структур, регистрируют их чувствительным элементом в виде выходного периодического сигнала, преобразуют его в импульсный сигнал и объем протекшего вещества определяют по числу импульсов N, зарегистрированных за контролируемый промежуток времени, и весовому коэффициенту К, м³/имп, - объем вещества, приходящийся на один импульс (А.Ш.Киясбейли, М.Е.Перельштейн, Вихревые счетчики-расходомеры, М., Машиностроение, 1974, с.12-13, 37-43, 108-109).

Известен вихревой способ измерения объемного количества вещества, в котором, путем установки на входе в измерительный канал вихреобразующего стержня с продольной осью, перпендикулярной оси канала, создают в нем периодическое движение вихревых структур - дорожку вихрей Кармана, регистрируют их чувствительным элементом в виде выходного периодического сигнала, преобразуют его в импульсный сигнал и объем протекшего вещества определяют по числу импульсов N, зарегистрированных за контролируемый промежуток времени, и весовому коэффициенту К, м³/имп, - объем вещества, приходящийся на один импульс (А.Ш.Киясбейли, М.Е.Перельштейн, Вихревые измерительные приборы, М., Машиностроение, 1978, с.73-79). При этом в способах - прототипах весовой коэффициент К, м ³/имп, полагают постоянной величиной K=const и определяют его путем предварительной градуировки счетчика (см. например А.Ш.Киясбейли, М.Е.Перельштейн, Вихревые измерительные приборы, М., Машиностроение, 1978, с.75-76 рис.73, примечание: на рис.73 приведены значения, обратные весовому коэффициенту - 1/К, имп/л).

Недостатком способов-прототипов является ограниченный снизу диапазон измерений - наименьшие числа Рейнольдса, при которых сохраняется линейность характеристики (K=const) составляют для первого Re_гр=(2÷3)·10³ (см. П.П.Кремлевский, Расходомеры и счетчики количества. Л., Машиностроение, Ленинградское отделение, 1989, с.370) и для второго Re_гр=(1÷2)·10 ⁴ (см. П.П.Кремлевский,... с.367) способов. При числах Рейнольдса, меньших выше указанных (Re<Re_гр), линейность характеристики нарушается и погрешность измерений объемного количества в этой области становится неприемлемо высокой.

Ниже приведем следующее пояснение. Весовой коэффициент К, м³/имп, - объем жидкости, приходящийся на один импульс (на один период колебаний Т, с), определяется геометрическими характеристиками измерительного канала счетчика и числом Струхаля Sh (см., например, А.Ш.Киясбейли, М.Е.Перельштейн, Вихревые измерительные приборы, М., Машиностроение, 1978, с.75):

где Q - объемный расход вещества;

Т - период колебаний, соответствующий частоте f, T=1/f;

d - характерный размер измерительного канала счетчика;

С - геометрическая константа измерительного канала, С= d³/4.

Типовая зависимость Sh(Re) приведена, например, в книге П.П.Кремлевский... (с.370 на рис.210б). Таким образом, число Sh является постоянным Sh=const при числах Re>Re _гр, и счетчик в этой области имеет линейную характеристику: K=const и не зависит от физических свойств вещества и значения объемного расхода.

При работе счетчика в области малых чисел Рейнольдса Re<Re_гр линейность характеристики нарушается (Sh const), и погрешность измерений по способам-прототипам становится тем больше, чем меньше число Re, при котором проводится измерение.

Цель изобретения

Целью данного изобретения является повышение точности измерений, преимущественно в нелинейной области работы вихревых счетчиков вещества, - в нижней части диапазона чувствительности вихревых способов измерения.

Сущность изобретения

Поставленная цель достигается тем, что в известном вихревом способе измерения объемного количества вещества, а именно жидкости, пара, газа, в котором в измерительном канале счетчика количества вещества создают периодическое движение вихревых структур, регистрируют их чувствительным элементом в виде выходного периодического сигнала, преобразуют его в импульсный сигнал и объем протекшего вещества определяют по числу импульсов N, зарегистрированных за контролируемый промежуток времени, и весовому коэффициенту К, м³/имп, - объем вещества, приходящийся на один импульс, дополнительно измеряют отношение r=f/ , где f, Гц, - текущее значение частоты поступающих импульсов, , м²/c, - текущее значение коэффициента кинематической вязкости вещества, измеряемое косвенным образом: для жидкости - по ее температуре, для пара и газа - по температуре и давлению, и объем протекшего вещества V, м³, определяют с использованием формулы V= N·K(r), где К(r), м³/имп, - текущее значение весового коэффициента, реперные значения которого определяют путем предварительной градуировки счетчика в заданном диапазоне значений r; реперные значения весового коэффициента аппроксимируют в виде зависимости К(r)=а+в/r, где а, в - аппроксимационные коэффициенты, которые затем используют в измерениях при определении текущего значения К(r); реперные значения весового коэффициента аппроксимируют в виде зависимости K(r)=c+d/rⁿ, где с, d, n - аппроксимационные коэффициенты и показатель степени, которые затем используют в измерениях при определении текущего значения К(r); при измерении отношения r коэффициент кинематической вязкости полагают постоянным =const.

Известно, что порог чувствительности вихревых способов измерения количества находится существенно ниже граничных значений Re_гр, определяющих область линейной работы вихревых счетчиков (К=const при Re>Re_гр). Однако использование вихревых способов при Re<Re_гр требует учета нелинейной зависимости весового коэффициента К от числа Re. В результате исследований установлено, что для достижения приемлемой точности измерения при Re<Re_гр следует учитывать реальный характер нелинейности, для чего в качестве обобщенного параметра, определяющего текущее состояние потока вещества (температура, давление, объемный расход) предлагается использовать отношение частоты поступающих импульсов к коэффициенту кинематической вязкости r=f/ , и в зависимости от значения r выбирать текущее значение К(r). Реперные значения весового коэффициента К(r), либо параметры соответствующих аппроксимационных формул, следует получать на стадии предварительной градуировки вихревого счетчика вещества в заданном диапазоне значений r, соответствующем условиям эксплуатации счетчика.

Предложенный способ, хотя и требует введения дополнительных операций (измерение частоты поступающих импульсов; измерение температуры и давления вещества для определения коэффициента кинематической вязкости), однако вполне реализуем на основе применения микропроцессорной техники в блоке обработки выходных сигналов, например, в теплосчетчике, где измерение температуры и давления теплоносителя (наряду с обработкой импульсного сигнала счетчика количества) предусмотрено алгоритмом счета тепла.

При измерении потока вещества, температура и давление которого технологически поддерживаются в узком диапазоне значений, коэффициент кинематической вязкости в указанном диапазоне может быть принят постоянным =const. При этом отпадает необходимость измерения текущих значений температуры и давления.

Перечень фигур графических изображений

Сущность изобретения поясняется фиг.1, на которой приведен пример схемы, реализующей предлагаемый способ применительно к измерениям количества пара и газа.

Пример конкретного выполнения способа

В данном примере реализации способа на входе в измерительный канал 1 устанавливают призматический стержень 2 с продольной осью, перпендикулярной оси канала, и таким образом создают в измерительном канале 1 периодическое движение вихревых структур - дорожку вихрей Кармана. Прохождение вихрей регистрируют чувствительным элементом 3 в виде выходного периодического сигнала. Выходной сигнал с чувствительного элемента 3 подают на вход усилителя-формирователя импульсов 4. Импульсный сигнал далее подают на частотомер 5 и параллельно на счетчик количества импульсов 6, который обеспечивает циклический режим работы с набором за один цикл N импульсов. По окончании набора N импульсов происходит выдача контрольного импульса в схему, обнуление счетчика, начало набора в следующем цикле и т.д.

В контролируемом потоке вещества размещают также первичные преобразователи температуры 7 и давления 8, подключают их к собственным вторичным преобразователям 9 и 10 со стандартными выходными сигналами. Выходные сигналы частотомера 5, вторичных преобразователей температуры 9 и давления 10 с использованием блоков 11, 12 и 13 преобразуют в цифровые коды текущих значений частоты f_Т, Гц, температуры Т_Т, °С и давления Р_Т, МПа, соответственно и подают их в процессор 14. Программой процессора обеспечивают выполнение следующих операций.

По текущим значениям температуры Т_Т и давления Р_Т определяют текущее значение коэффициента кинематической вязкости _Т, м²/с, например, путем интерполяции по табличным значениям, хранящимся в блоке памяти 15. Для пара, например, двухмерная таблица (P,T) может быть получена с использованием данных справочника Н.Б.Варгафтик, Теплофизические свойства веществ, М.-Л., Госэнергоиздат, 1956, табл.3-3, 3-7 по формуле = / , где - коэффициент динамической вязкости, - плотность пара. Там же и в других источниках (например, B.C.Чиркин, Теплофизические свойства материалов ядерной техники, М., Атомиздат, 1968) содержатся данные по вязкости многих других жидкостей и газов.

По текущим значениям частоты поступающих импульсов f_Т и коэффициента кинематической вязкости _Т определяют текущее значение отношения r=f _Т/ _Т, характеризующее состояние потока вещества на данный момент времени, и по значению r определяют текущее значение весового коэффициента К(r), например, путем интерполяции по таблице реперных значений весового коэффициента, хранящейся в блоке памяти 15.

По контрольному импульсу окончания набора в счетчике 6, используя текущее значение весового коэффициента К(г), м³/имп, и число набранных в счетчике 6 импульсов N, определяют объем протекшего вещества V, м³, по формуле V= N·K(r). Полученное значение V подают в сумматор 16, где оно добавляется к ранее накопленному значению объема V. Значение V выводят на индикаторное табло 17 счетчика количества протекшего вещества.

Таблицу реперных значений весового коэффициента К_i К(r_i), i=1, 2 ... N, получают путем предварительной градуировки счетчика (см., например, А.Ш.Киясбейли, М.Е.Перельштейн, Вихревые измерительные приборы, М., Машиностроение, 1978, с.75) в заданном диапазоне значений r. В каждой точке, наряду с измеренным образцовым средством объемом протекшего вещества V_i и количеством зарегистрированных импульсов N_i (весовой коэффициент определяется как K_i=V_i/N _i), измеряют также r_i=f_i/ _i, где f_i - средняя частота поступающих импульсов, _i = коэффициент кинематической вязкости вещества, определяемый косвенным способом: для жидкости - по ее температуре, для газа - по температуре и давлению. Диапазон значений r _i, при которых проводится градуировка, должен соответствовать диапазону r, в котором планируется эксплуатация счетчика. Вихревые счетчики, предназначенные для работы со специфическими веществами (агрессивные жидкости, газы, пар и т.п.) могут быть отградуированы на веществе-заменителе, обычно это вода и воздух. Для определения коэффициента кинематической вязкости вещества, применяемого при градуировке счетчика, используют справочные данные (см., например, справочники: Теплофизические свойства веществ, под редакцией Н.Б.Варгафтика. Государственное энергетическое издательство, М., Л., 1956; B.C.Чиркин, Теплофизические свойства материалов ядерной техники, М., Атомиздат, 1968).

При измерении потока несжимаемой жидкости, например воды, можно пренебречь влиянием давления на коэффициент кинематической вязкости. В этом случае отпадает необходимость учета давления (измерительного канала 8-10-13), и для определения значения , м²/с, используют измерительный канал температуры 7-9-12 и, например, аппроксимационную формулу (Н.Н.Кремецкий и др. Гидравлика, М., Энергия, 1980, с.12):

где Т - температура воды, °С. Алгоритм формулы реализуют в программе процессора 14.

Вместо таблицы реперных значений весового коэффициента K(r_i), i=1, 2 ... N, для определения текущего значения К(r) рекомендуется использовать формулу К(r)=а+в/r, где а, в - аппроксимационные коэффициенты, определяемые, например, в результате обработки реперных точек K(r_i) методом наименьших квадратов, либо формулу K(r)=c+d/rⁿ где с, d, n - аппроксимационные коэффициенты и показатель степени, дающие минимальную погрешность описания реперных значений K(r_i). Алгоритм используемой аппроксимационной формулы реализуют в программе процессора 14; соответствующие коэффициенты а и в (либо с, d и показатель степени n) заводят в блок памяти 15. С использованием выбранной формулы ведут расчет текущего значения весового коэффициента в процессоре 14.

При работе с потоком вещества, температура и давление которого технологически поддерживаются в узком диапазоне значений, отпадает необходимость измерения их текущих значений (измерительных каналов 7-9-12 и 8-10-13). Тогда при измерении отношения r=f/ коэффициент кинематической вязкости полагают постоянным =const, равным его среднему значению для данного диапазона температуры и давления вещества.

Экспериментальная проверка заявляемого способа проведена на поверочной установке объемного типа, вместимость V_обр образцовых мерников установки - 300 и 10 л, погрешность ±0,1%, рабочая жидкость - питьевая вода. Измерения проводились с вихревым электромагнитным счетчиком ВЭПС, диаметр измерительного канала D=21 мм. Температура воды в контуре измерялась датчиком температуры КВАРЦ-DT.007.

В качестве блока питания ВЭПС и КВАРЦ-DT.007 и обработки их выходных сигналов использовался теплосчетчик ТСЧВМ1, обеспечивающий, в том числе, измерение и индикацию количества протекшей воды.

Вихревой электромагнитный счетчик ВЭПС предварительно исследовался в диапазоне чисел Рейнольдса Re=(3400-150000). При температуре воды Т=20°С это соответствует диапазону объемного расхода Q=(0.2-8.0) м³/ч. В результате установлено, что счетчик имеет плато при Re>10000, (Reгр 10000), где весовой коэффициент - постоянный, K=const с погрешностью не более ±0.5%. При R<10000 весовой коэффициент уменьшается и к порогу чувствительности счетчика (Re 3400) снижается на ˜7% по сравнению со значением К на плато. ВЭПС был проградуирован в четырех реперных точках, в том числе при значении расхода Q=0,2 м³/ч, близком к порогу чувствительности счетчика. Результаты градуировки приведены в табл.1, при этом средняя за время заполнения t_зап , с частота поступления импульсов f, Гц определялась по формуле f=N/t_зап.

Анализ данных градуировки показывает, что первые три реперных точки (расход Q=0.7-8.0 м³ /ч) находятся на плато характеристики.

Среднее значение весового коэффициента здесь составляет К_ср=8.072·10 ^-6 м³/имп. Полученные значения К лежат в пределах ±0,5% от среднего.

Таблица 1.
Номер изм, i	Т воды °С	Vобр, л	t зап, с	Q, м3 /ч	Re	N, имп	F, Гц	*, 10-6 м2/с	r, 106 м 2	К, 10-6 м 3/имп
1	21.5	300	134.2	8.05	141400	37114	276.6	0.96	288.10	8.083
2	22.0	300	418.8	2.58	45780	37311	89.09	0.95	93.78	8.041
3	22.0	10	52.71	0.683	12120	1234	23.41	0.95	24.64	8.104
4	22.5	10	180.1	0.200	3590	1313	7.29	0.94	7.76	7.616

*) По справочнику Чиркин B.C. Теплофизические свойства материалов ядерной техники. М., Атомиздат, 1968, с.305, табл.9.2.

Четвертая реперная точка измерена вблизи порога чувствительности счетчика. Значение К=7.616·10^-6 м³/имп в этой точке на 6% ниже среднего значения на плато, т.е. находится в существенно нелинейной области характеристики.

Следует отметить, что в нелинейной области характеристики проводить градуировку счетчика в координатах Q, м³ /ч,-К, м³/имп, бессмысленно, поскольку одному значению расхода Q в зависимости от температуры воды Т будут соответствовать различные значения К - характеристика расслаивается (см. Адамовский Л.А. и др. Специфика измерений малых расходов воды вихревыми электромагнитными расходомерами. III Международная научно-практическая конференция "ВЭПС. Диагностика. 2001"). Нелинейная область градуировочной характеристики Q-K, полученная при одной температуре воды, не может использоваться при других температурах, так как будет приводить к существенным ошибкам при измерениях. То же самое получается при градуировке счетчика в координатах f, Гц, К, м³/имп.

В результате исследований установлено, что при использовании в качестве аргумента отношения r=f/ функция К(r) становится универсальной, не зависящей от температуры воды, т.е. при любой температуре конкретному r будет соответствовать единственное значение весового коэффициента К. Эта однозначность выполняется не только в нелинейной области характеристики, но и при Re>Re_гр, то есть может быть использована для учета слабых (или существенных) нелинейных особенностей и на плато характеристики, если они (особенности) имеют место. Отметим так же, что одно и то же значение r может быть получено при различных комбинациях значений частоты f и коэффициента кинематической вязкости , что следует учитывать, например, при подборе вещества - заменителя и режимов градуировки счетчика, если воспроизведение натурных условий эксплуатации невозможно.

Возвращаясь к табл.1, выделим в характеристике два поддиапазона измерений по значению r: первый - r 24.64·10⁶, м^-2, соответствует плато характеристики, где K=const=8.072·10^-6 м³/имп; второй - r 24.64·10⁶, м^-2, соответствует нелинейной области характеристики, где весовой коэффициент зависит от значения r. Воспользуемся аппроксимационным выражением по п.2 формулы К(r)=а+в/r и определим аппроксимационные коэффициенты а, в для каждого из поддиапазонов. В первом из них (плато характеристики), очевидно, следует положить а=8.072·10^-6 м ³/имп (среднее значение К на плато) и в=0 (нет зависимости от r). Для второго поддиапазона, подставив координаты реперных точек i=3, 4 в формулу:

и решив систему двух уравнений с двумя неизвестными, получаем а=8.328·10^-6, в=-5.527 - значения аппроксимационных коэффициентов. Таким образом, поведение весового коэффициента в нелинейной области будем описывать зависимостью K(r)=8.328·10 ^-6-5.527/r. Это нарастающая, выгнутая вверх гипербола, проходящая через начальную (i=4) и конечную (i=3) точки поддиапазона, и затем выходящая на асимптотическое значение (а) при r (эта часть кривой не используется).

Отметим, что более точное приближение дает рекомендуемая в п.3. формулы изобретения аппроксимационная зависимость K(r)=c+d/rⁿ. Однако она сложнее, как в определении коэффициентов с, d и показателя степени n, так и в дальнейшем использовании. Как будет показано дальше, для данного случая (табл.1) выбранное по п.2. формулы изобретения простое аппроксимационное выражение вполне удовлетворяет требованиям по допустимой погрешности измерения счетчиком ВЭПС (±1.5%).

Полученная в результате предварительной градуировки двухдиапазонная характеристика, определяющая зависимость К(r), и приведенная выше формула для коэффициента кинематической вязкости воды (T), были включены в алгоритм вычисления объемного количества протекшей воды, измеряемого теплосчетчиком ТСЧВМ1. Контрольные испытания заявляемого способа проводились в июле 2002 г.(примерно через 4 месяца после градуировки счетчика) при более высокой температуре воды в контуре Т=(30-35)°С. Вязкость воды при этом составляла =(0.72-0.81)·10^-6 м²/c.

В связи с тем, что объем протекшей воды, измерялся с погрешностью ±1 л - цена низшего разряда на индикаторном табло теплосчетчика, все проливки проводились на образцовый мерник V_обр =300 л. Таким образом погрешность отсчета по табло теплосчетчика составляла ±0.34%. Результаты испытаний приведены в табл.2.

Таблица 2.
Номер изм. j	Т °С	, 10-6 м-2/с	tзап с	Q, м3/ч	Re	Vнач, л	V кон, л	Vкон, Vнач, л	V/Vобр %
1	30	0.80	140.2	7.70	162200	00087	00389	302	+0.67
2	31	0.78	275.2	3.92	84720	01522	01823	301	+0.34
3	32	0.77	759.3	1.42	31090	01982	02281	299	-0.34
4	33	0.75	3998.6	0.270	4550	03206	03505	299	-0.34
5	33	0.75	192.4	5.61	126100	03732	04032	300	0
6	34	0.73	157.4	6.86	158400	04946	05247	301	+0.34
7	34	0.73	134.9	8.01	185000	05850	06152	302	+0.67
8	35	0.72	383.8	2.81	65790	06662	06961	299	-0.34
9	32	0.77	6477.3	0.167	3660	07668	07969	301	+0.34
10	34	0.73	1916.4	0.564	13020	07989	08289	300	0

Результаты испытаний показывают, что во всем диапазоне, в том числе в нелинейной области (измерения N4 и 9) погрешность объема воды, измеренного по заявляемому способу, не выходит за пределы ±1%. Отметим, что вблизи порога чувствительности ВЭПС (измерение N9) и во второй точке, лежащей в нелинейной области (измерение N4) погрешность по способу-прототипу составила бы +6% и +4%, соответственно, и многократно превысила бы допустимое для ВЭПС значение (1.5%). Таким образом, в результате реализации предлагаемого способа динамический диапазон измерений счетчика увеличен до (1:50) или (0.16-8.0) м³/ч по сравнению с (1:20) или (0.4-8.0) м³/ч для способа - прототипа. При этом предельная погрешность измерений от 1.5% снижена до 1%.

Отметим также, что аппроксимационная формула для нелинейной области характеристики К(r) получена по данным градуировки всего лишь в двух реперных точках (табл.1, i=4.3), соответствующих началу (r=7.76·10 ⁶ м^-2, Re=3590) и концу (r=24.64·10 ⁶ м^-2, Re=12120) поддиапазона. Испытание способа в промежуточной области (табл.2, измерение N4, Re=4550) подтверждает эффективность аппроксимационной формулы - погрешность измерения не вышла за пределы ±0.5%. Однако, если данные предварительной градуировки заводить в теплосчетчик в виде таблицы значений (r _i-K_i), i=1, 2 ... N, для более подробного описания нелинейного диапазона, очевидно необходимо провести в нем большее количество проливок (получить большее число реперных точек), что повышает точность интерполяции по табличным значениям.

Если отградуированный счетчик ВЭПС предполагается эксплуатировать в узком диапазоне температуры воды, например, при Т=(80±5)°С, положим ₈₀=const=0.365·10^-6 м² /c (п.4 формулы изобретения) и аппроксимациционное выражение К=8.328·10^-6-5.527/r, с учетом того, что r=f/ =f/0.365·10^-6, преобразуем к виду K(f)=8.328·10 ^-6-2.017·10^-6/f. В этом случае нет необходимости измерять коэффициент кинематической вязкости по температуре воды, а поведение характеристики в нелинейном поддиапазоне при (f/0.365·10^-6) 24.64·10⁶, т.е. при f 9 Гц, будет описываться полученным выражением для K(f), зависящим только от частоты поступающих импульсов. Соответственно, операции способа измерения в этом случае существенно упрощаются.