Результат интеллектуальной деятельности: Способ измерения объемного расхода в вихревых расходомерах

Изобретение относится к измерительной технике и может быть применено в вихревых счетчиках расходомерах для измерения объемного расхода с использованием вихрей Кармана.

Известен способ измерения объемного количества вещества с использованием вихрей Кармана, которые регистрируются чувствительным элементом в виде выходного периодического сигнала и преобразуются в импульсный сигнал. Объем W протекшего вещества определяют по числу N импульсов, зарегистрированных за контролируемый промежуток времени, умноженных на весовой коэффициент К, W=ΣN⋅K. При этом, весовой коэффициент К, м³/имп, объем вещества, приходящийся на один импульс, полагают постоянной величиной K=const и определяют его путем предварительной градуировки расходомера.

Недостатком известного способа измерения объемного количества вещества является ограниченный снизу диапазон измерений расходов, определяемый числами Re Рейнольдса, при которых сохраняется линейность характеристик весового коэффициента (K=const). Величины граничных чисел Re_гран составляют Re_гран=(1÷2)⋅10⁴ (П.П. Кремлевский, Расходомеры и счетчики количества. Л., Машиностроение, Ленинградское отделение, 1989, с. 364). При числах Рейнольдса, меньших выше указанных (Re<Re_гран.), линейность характеристики нарушается и погрешность измерений объемного количества вещества в этой области становится существенно высокой. Весовой коэффициент К можно записать:

где ΔW - объем, приходящийся на один импульс;

f - частота колебаний вихрей Кармана, соответствующая периоду Т, T=1/f;

С - геометрическая константа измерительного канала, С=h⋅S;

h - характерный размер тела обтекания в измерительном канале расходомера;

S - площадь сечения измерительного канала;

Sh - число Струхаля.

Объем протекшего вещества W тогда будет равен:

Число Sh является постоянным Sh=const при числах Re>Re_гран и вихревой расходомер в этой области имеет линейную характеристику измерения, при этом весовой коэффициент K=const и не зависит от физических свойств вещества и значения объемного расхода (П.П. Кремлевский, Расходомеры и счетчики количества. Л., Машиностроение, Ленинградское отделение, 1989, с. 364).

Недостатком известного способа измерения объемного количества вещества с использованием вихрей Кармана является увеличенная погрешность измерений при работе расходомера в области малых чисел Рейнольдса Re<Re_гран, так как при этом число Sh не является постоянным и линейность характеристики измерения нарушается, погрешность измерения становится тем больше, чем меньше числа Re, при которых проводится измерение.

Известен вихревой способ измерения объемного количества протекшего вещества [RU №2291400 С2, МПК G01F 1/32 (2006.01), G01F 15/02 (2006.01), опубл. 20.07.2004], согласно которому в измерительном канале счетчика расходомера количества вещества создают регулярную последовательность вихрей, регистрируют прохождение каждого переносимого потоком вихря в виде электрического импульса, суммируют импульсы за контролируемый промежуток времени, измеряют текущие значения частоты следования импульсов f, а также температуру и давление среды, вычисляют косвенным способом текущее значение кинематической вязкости ν среды: для жидкости - по ее температуре, для газа или пара - по его температуре и давлению, вычисляют вспомогательный параметр вычисляют через r текущее значение весового коэффициента К(r), реперные (опорные) значения которого определяют путем предварительной градуировки расходомера в виде зависимости К(r)=а+b/r, где a, b - коэффициенты аппроксимации, или в виде зависимости K(r)=c+d/rⁿ, где с, d, n - коэффициенты аппроксимации и показатель степени, которые затем используют в измерениях при определении текущего значения K(r). Объем W протекшего вещества определяют как произведение числа N импульсов, просуммированных за время измерения, на переменный весовой коэффициент К(r): W=ΣN⋅K(r). При этом весовой коэффициент K(r) отождествляется с объемом вещества ΔW, приходящимся на один импульс.

Недостатком способа является невозможность достижения максимальной точности измерений во всем диапазоне чисел Re, так как весовой коэффициент K(r) в общем случае не равен отношению C/Sh и не учитывает геометрические параметры измерительного канала.

Известен выбранный в качестве прототипа способ измерения объемного количества вещества, а именно жидкости, газа или пара [RU №2478916 С2, МПК G01F 1/32 (2006.01), опубл. 10.04.2013], заключающийся в создании в измерительном канале вихревого счетчика расходомера регулярной последовательности вихрей, регистрации каждого вихря в виде электрического импульса, измерении текущих значений частоты следования импульсов f, а также температуры и давления вещества, вычислении косвенным способом текущего значения кинематической вязкости ν вещества: для жидкости - по температуре, для газа или пара - по температуре и давлению. Объем W протекшего вещества вычисляется суммированием за время измерения объема ΔW вещества, приходящегося на один импульс. Объем ΔW вычисляется для каждого импульса в отдельности с использованием текущего значения числа Струхаля Sh по формуле ΔW=K_г/Sh, где К_г - геометрический коэффициент, определяемый, как произведение ширины тела обтекания на площадь поперечного сечения измерительного канала. Текущее значение числа Sh вычисляется подстановкой текущего значения Re в полученную при градуировке счетчика в рабочем диапазоне значений Re зависимость Sh(Re), текущее значение Re вычисляют по формуле Re=-b+Ro/a, где а и b - коэффициенты аппроксимирующей функцию Sh(Re) зависимости Sh=a⋅(1+b/Re), Ro - число Рошко, Ro=h²⋅f/ν, где: h - ширина тела обтекания, ν - кинематическая вязкость.

Объем W протекшего вещества определяют по формуле:

где ΔW - объем вещества для одного импульса, N - общее число импульсов, зарегистрированных за время измерения.

Известный расходомер состоит из измерительного канала и блока электроники. Во входной части измерительного канала располагается плохообтекаемое тело в виде призматического стержня трапецеидального сечения, продольная ось которого перпендикулярна оси измерительного канала, а большее основание направлено навстречу набегающему потоку. За телом обтекания в потоке располагаются чувствительные элементы расхода, температуры и давления. С помощью тела обтекания в измерительном канале создается регулярная последовательность вихрей. С помощью чувствительного элемента расхода фиксируют прохождение вихрей, а с помощью чувствительных элементов температуры и давления измеряют температуру и давление контролируемой среды. Выходные сигналы чувствительного элемента расхода и чувствительных элементов температуры и давления усиливаются, нормализуются и подаются на соответствующие входы микроконтроллера с внешней энергонезависимой памятью. В память микроконтроллера заносят: зависимость Sh(Re) в виде, например, координат (Sh_j, Re_j) точек на графике Sh-Re; зависимость вязкости среды от температуры и давления в виде, например, коэффициентов аппроксимирующей эту зависимость; коэффициенты а и b аппроксимирующей зависимость Sh(Re), значения геометрических параметров.

Программа микроконтроллера обеспечивает вычисление среднего значения выходной частоты вихрей, текущее значение кинематической вязкости, числа Ro и числа Re, равное Re=-b+Ro/a. По значениям числа Re определяются значения числа Sh, на основе снятой при градуировке счетчика зависимости Sh(Re). После этого вычисляется объем, приходящийся на каждый импульс, по формуле ΔW=Kr/Sh и по мере поступления импульсов подсчитывается текущее значение объема протекшего вещества W=ΣN⋅ΔW числа импульсов за время измерения.

Недостатком данного способа является пониженная точность измерений, так как согласно уравнению (2) измерений вихревого счетчика расходомера объем протекшего вещества равен: W=ΣN⋅ΔW=ΣN⋅C/Sh. При этом для данного способа вычисление числа Sh через аппроксимирующую зависимость Sh(Re) вносит дополнительные погрешности измерения, появляющиеся при вычислении числа Re через аппроксимирующую функцию Re (Ro) на основании измеренных со своими погрешностями давления и температуры среды, что и приводит к повышенной погрешности измерений.

Следующим недостатком способа является ограничение эксплуатационных возможностей счетчика расходомера, так как вес ΔW импульса, поступающий на выход счетчика расходомера, имеет переменное значение, привязанное к геометрическим параметрам измерительного канала, что вызывает неудобство при эксплуатации вихревого счетчика расходомера в счетчиках газа или теплосчетчиков.

Задачей способа является повышение точности измерений при расширении эксплуатационных возможностей вихревого счетчика расходомера.

Поставленная задача решается тем, что в способе измерения объемного расхода в вихревых расходомерах, заключающемся в создании в измерительном канале вихревого счетчика расходомера регулярной последовательности вихрей, регистрации каждого вихря в виде электрического импульса, измерении текущих значений частоты f следования импульсов, а также температуры и давления среды, вычислении косвенным способом текущего значения кинематической вязкости v вещества, вычислении объемного расхода Q протекшего вещества по формуле, учитывающей измеренную частоту f вихрей, текущее значение числа Sh Струхаля, кинематическую вязкость ν вещества, геометрический коэффициент С измерительного канала, равный произведению ширины тела обтекания на площадь поперечного сечения измерительного канала, СОГЛАСНО ИЗОБРЕТЕНИЮ, при калибровке вихревого расходомера для заданных реперных точек расхода во всем рабочем диапазоне расходов, при которых существует регулярная последовательность вихрей определяют с помощью измерения объемного расхода метода наименьших квадратов коэффициенты а и b аппроксимирующей зависимости числа Shл от обратного значения числа Ro, равной Shл=a+b/Ro, где число Ro=h²⋅f/ν, h - ширина тела обтекания, f - частота вихрей, ν - кинематическая вязкость вещества, и вычисляют текущий объемный расход Q по формуле Q=f⋅C/Shл, где Shл - вычисленное текущее значение числа Sh, объем W протекшего вещества определяют как произведение суммы числа N импульсов, зафиксированных за время измерения, на любой, равный объему вещества, заданный вес Ри импульса: W=ΣN⋅Pи, при этом период Tи импульсов на выходе расходомера определяют как Tи=Pи/Q.

Использование для расчета расхода линеаризованного выражения для числа Sh Струхаля вида Sh=a+b/Ro, как линейной зависимости числа Sh от обратного значения безразмерного числа Ro, коэффициенты а и b которой вычисляются с помощью метода наименьших квадратов, позволяет расширить диапазон измерения для вихревых расходомеров для заданной погрешности измерения. Оно же дает возможность уйти от вычисления текущего значения Sh через аппроксимирующую зависимость числа Sh Струхаля через число Рейнольдса - Sh (Re), вносящую дополнительные погрешности в измерение расхода вследствие определения числа Re через дополнительную аппроксимирующую функцию Re(Ro), обеспечивая тем самым повышение точности измерений. Вычисление расхода, выполняемое с использованием параметров среды (безразмерное число Ro), частоты f вихрей и геометрических констант измерительного канала (число С), позволяет уйти при расчетах от весового коэффициента, неравного в общем случае отношению C/Sh, что дает возможность использовать любой вес поступающего на выход вихревого расходомера импульса, равного объему протекшего вещества, и расширить диапазон измерений.

Технический результат - повышение точности измерений при расширении диапазона измерений.

Заявляемый способ измерения обладает новизной в сравнении с прототипом, отличаясь от него такими существенными признаками, как определение при калибровке вихревого расходомера для заданных реперных точек расхода во всем рабочем диапазоне расходов, при которых существует регулярная последовательность вихрей, с помощью метода наименьших квадратов коэффициенты а и b линеаризованной аппроксимирующей зависимости числа Shл от обратного значения числа Ro, равной Shл=a+b/Ro, где число Ro=h²⋅f/ν, h - ширина тела обтекания, f - частота вихрей, ν - кинематическая вязкость вещества, вычисление текущего объемного расхода Q с использованием измеренной частоты вихрей f, постоянного коэффициента С, равного геометрической константе измерительного канала и рассчитанного текущего значения числа Струхаля Sh на основе линеаризованного выражения зависимости числа Sh от обратного значения безразмерного числа Ro по формуле Q=f⋅C/Shл, где Shл - вычисленное текущее значение числа Sh, определение объема W протекшего вещества как произведения суммы числа N импульсов, зафиксированных за время измерения, на любой, равный объему вещества, заданный вес Ри импульса: W=ΣN⋅Pи, и определение периода Tи импульсов на выходе расходомера как Tи=Pи/Q, обеспечивающими в совокупности достижение заданного результата.

Заявителю неизвестны технические решения, обладающие вышеперечисленными отличительными признаками, которые обеспечивали бы в совокупности достижение заданного результата, поэтому он считает, что заявляемый способ соответствует критерию «изобретательский уровень».

Заявляемый способ измерения объемного расхода в вихревых расходомерах может найти широкое применение в измерительной технике и потому соответствует критерию «промышленная применимость».

Изобретение иллюстрируется чертежами, где представлены на:

- фиг. 1 - функциональная схема вихревого счетчика расходомера;

- фиг. 2 - функциональная схема алгоритма вычислений;

- фиг. 3 - результаты испытаний для вихревого счетчика расходомера типа 1;

- фиг. 4 - результаты испытаний для вихревого счетчика расходомера типа 2.

Предлагаемый способ измерения объемного расхода в вихревых расходомерах

обеспечивает проведение измерений непосредственно в соответствии с основным уравнением вихревого расходомера. Он заключается в создании в измерительном канале счетчика регулярной последовательности вихрей, регистрации каждого вихря в виде электрического импульса, измерении текущих значений частоты f следования импульсов, а также температуры и давления вещества, вычислении косвенным способом текущего значения кинематической вязкости вещества ν: для жидкости - по температуре, для газа или пара - по температуре и давлению. Вычисление объемного расхода Q производится в соответствии с выражением Q=f⋅C/Sh, с использованием измеренной частоты вихрей f, постоянного коэффициента С, равного геометрической константе измерительного канала и рассчитанного текущего значения числа Sh Струхаля на основе линеаризованного выражения зависимости числа Sh от обратного значения безразмерного числа Ro, что позволяет расширить диапазон и повысить точность измерения расходов. Коэффициенты а и b для линеаризованной зависимости Sh(1/Ro) определяются методом наименьших квадратов при калибровке вихревого расходомера по заданным реперным точкам расхода. Объем W протекшего вещества определяется как произведение суммы импульсов, зафиксированных за время измерения, на вес импульса, W=ΣN⋅Pи, при этом вес импульса, поступающий на выход счетчика расходомера, может иметь любое заданное фиксированное значение, равное объему вещества.

Заявляемый способ измерения объемного расхода реализуется в вихревом счетчике расходомере (фиг. 1), состоящем из измерительного канала 1 и блока 2 электроники. В измерительном канале 1 расположено тело 3 обтекания в виде стержня плохообтекаемой формы, продольная ось которого перпендикулярна оси измерительного канала 1, а большее основание направлено навстречу набегающему потоку 4. С помощью тела 3 обтекания в измерительном канале 1 создается регулярная последовательность вихрей 5, частота которых пропорциональна скорости потока 4. За телом 3 обтекания в потоке расположены чувствительные элементы вихрей 6, температуры 7 и давления 8. Чувствительный элемент 6 вихрей фиксирует прохождение вихрей, а с помощью чувствительных элементов 7 и 8 измеряется температура и давление среды. Выходные сигналы чувствительного элемента 6 вихрей и чувствительных элементов 7 температуры и 8 давления поступают на входы формирователей 9, 10 и 11, которые усиливают и преобразуют их в выходные нормализованные сигналы. Последние поступают на соответствующие входы микроконтроллера 12 с внешней энергонезависимой памятью 13. В память 13 заносят: коэффициенты аппроксимации а и b линеаризованной аппроксимирующей зависимости Sh(1/Ro), полученной при калибровке счетчика расходомера; зависимость вязкости ν среды от температуры и давления в виде, например, таблиц или коэффициентов аппроксимирующей функции; геометрические константы С измерительного канала; вес импульса, равный объему вещества. Вычисленный объемный расход Q (14) с одного выхода микроконтроллера 12 поступает на индикатор 15 и используется для вычисления частоты выходных импульсов 16, вес которых имеет фиксированное значение, равное объему вещества. Импульсы 16 с другого выхода микроконтроллера 12 проходят через формирователь 17 и поступают на выход 18 счетчика расходомера.

Алгоритм вычислений (фиг. 2), запрограммированный в микроконтроллере 12, реализует способ измерения объемного расхода с помощью выполнения следующих операций. При включении блока 2 электроники автоматически начинается измерение каждого периода выходного сигнала с выхода чувствительного элемента 6 вихрей и вычисление среднего значения частоты f вихрей. По текущим значениям сигналов чувствительных элементов 7 температуры и 8 давления вычисляется плотность среды: для жидкости по текущим значениям температуры среды, для газа по текущим значениям температуры и давления среды. Вычисляется текущее значение кинематической вязкости ν среды, вычисляется значение числа Ro, с использованием ширины h тела 3 обтекания, кинематической вязкости ν и частоты f вихрей. По значениям числа Ro вычисляются значения числа Sh, по формуле линейной зависимости Sh=a+b/Ro с коэффициентами аппроксимации а и b, полученными при калибровке счетчика расходомера. Вычисляется текущее значение объемного расхода в соответствии с выражением Q=f⋅C/Sh, с использованием измеренной частоты f вихрей, постоянного коэффициента С, равного геометрической константе измерительного канала, и вычисленного значения числа Sh. На основании вычисленного объемного расхода Q вычисляется период и частота импульсов, поступающих на выход расходомера. Для вычисления периода и частоты импульсов используется заданное значение веса импульса Pи, равное объему вещества, и измеренный объемный расход Q, период импульсов равен Tи=Pи/Q, частота равна f=Q/Pи. Объем W протекшего вещества определяется во внешних устройствах, таких как счетчики газа или теплосчетчики, как произведение суммы импульсов, зафиксированных за время измерения, на вес импульса, W=ΣN⋅Pи.

Проведенные испытания подтвердили эффективность заявленного способа измерения объемного расхода, в части повышения точности измерений и расширения эксплуатационных возможностей вихревых счетчиков расходомеров.

Испытания проводились на проливочной установке с заявленной относительной погрешностью при измерении объемного расхода и объема жидкости, равной ±0,05%, для 2-х типов вихревых расходомеров: Тип 1 - вихревой счетчик расходомер с параметрами измерительного канала: диаметр условного прохода измерительного канала Ду=24,1 мм; ширина тела обтекания h=6,6 мм; геометрическая константа измерительного канала С=3,01Е-06 м³; Тип 2 - вихревой счетчик расходомер с параметрами измерительного канала: диаметр условного прохода измерительного канала Ду=25,5 мм; ширина тела обтекания h=6,5 мм; геометрическая константа измерительного канала С=3,32Е-06 м³. Испытания проводились для среды вода, температура воды 24°С, давление от 0,23 до 0,4 МПа.

Проводилась калибровка каждого счетчика расходомера по 9 реперным точкам заданных эталонных расходов. Определялась погрешность измерения расхода для каждой реперной точки эталонного расхода, путем сравнения эталонных расходов и измеренных расходов. Находилась линеаризованная зависимость числа Sh от обратного значения безразмерного числа Ro по параметрам расходов в реперных точках. Коэффициенты аппроксимации а и b вычислялись методом наименьших квадратов для значений чисел Sh и обратного значения чисел Ro.

Вычислялся расход Q=f⋅C/Sh с использованием линеаризованного выражения для числа Sh для каждой реперной точки расхода. Вычислялась погрешность измерения расхода сравнением заданных эталонных расходов и вычисленных расходов с использованием линеаризованного выражения для числа Sh.

На фиг. 3 приведены результата испытаний счетчика расходомера Тип 1. На графике приведена линеаризованная зависимость числа Shл от обратного значения безразмерного числа Ro для заданных реперных точек расхода, равная Shл=0,2414+3,90/Ro, где коэффициенты аппроксимации а и b равны: а=0,2414, b=3,90. В таблице приведены данные по результатам испытаний счетчика расходомера Тип 1. При калибровке счетчика расходомера по 9 реперным точкам расходов максимальная погрешность была равна 3,02% для расхода 0,5 м3/ч для числа Re=7900. При измерении расхода с использованием линеаризованного выражения для числа Shл, максимальное значение погрешности было равно 0,534% для расхода 0,5 м3/ч и Re=7900.

На фиг. 4 приведены результаты испытаний счетчика расходомера Тип 2. На графике приведена линеаризованная зависимость числа Shл от обратного значения безразмерного числа Ro для заданных реперных точек расхода, равная Shл=0,2232+4,525/Ro, где коэффициенты аппроксимации а и b равны: а=0,2232, b=4,525. В таблице приведены данные по результатам испытаний счетчика расходомера Тип 2. При калибровке счетчика расходомера по 9 реперным точкам расходов максимальная погрешность была равна 2,66% для расхода 0,66 м³/ч для числа Re=10366. При измерении расхода с использованием линеаризованного выражения для числа Shл, максимальное значение погрешности измерения расхода было равно 0,054% для расхода 0,66 м³/ч и Re=10366.

Проведенные испытания подтвердили эффективность предлагаемого способа измерения объемного расхода в вихревых расходомерах, позволяющую получить максимальную точность измерений во всем рабочем диапазоне расходов вихревого расходомера при которых формируется регулярная последовательности вихрей Кармана. Использование способа позволяет расширить диапазон измерения для вихревых расходомеров для заданной погрешности измерения расхода в сторону чисел Re<Re_гран.

Вычисление объема протекшего вещества с использованием заданного фиксированного веса импульса, равное объему вещества, позволяет и упростить его эксплуатацию.

В сравнении с прототипом заявляемый способ позволяет получить максимальную точность измерений во всем рабочем диапазоне расходов вихревого расходомера, при которых формируется регулярная последовательности вихрей Кармана, и расширить диапазон измерения для вихревых расходомеров для заданной погрешности измерения расхода в сторону чисел Re<Re_гран.