Результат интеллектуальной деятельности: АВТОНОМНЫЙ СЧЕТЧИК ГАЗА

Изобретение относится к измерительным устройствам и может быть использовано в технологических трубопроводах для измерения количества газа или жидкости в производственных процессах, а также в узлах учета энергоресурсов для коммерческого расчета в ЖКХ.

Известны мембранные (диафрагменные, камерные) счетчики-расходомеры газа, бытовые и коммунально-бытовые счетчики газа, типа СГБ-01,6 , G-2,5, G-4, G-6, G-10 с независимым энергопитанием, выпускаемые промышленностью. Выпускают подобные счетчики такие фирмы, как ЗАО «Сигнал-Прибор», Газдевайс, ЭЛЬСТЕР РусГазПрибор, ООО Krom Schroder и др. (1. Совершенствование учета природного газа и собираемости средств за его реализацию. Ж. территория нефтегаз, 5/04).

Известны также мембранные промышленные счетчики-расходомеры газа типоразмеров от G10 до G100 на различные трубопроводы с условным проходом до 80-100 мм с измерительными комплексами и стационарным питанием (www.tg-c.ru).

Все известные счетчики-расходомеры имеют большие габариты, вес, металлоемкость, требуют строгой ориентации в пространстве. Кроме того, относительная погрешность указанных типов счетчиков в интервале 0,2 Q_нoм<Q<О_макс составляет не менее 1,5%. Далее счетчики такого типа подвержены влиянию температурных условий, которые вносят дополнительную погрешность в измерение расхода. Для уменьшения этого влияния вносят в комплект различные по конструкции корректоры по температуре, что также усложняет и удорожает счетчик-расходомер как прибор в комплекте.

Известны счетчики-расходомеры газа струйной линейки Turbo Flow серии GFG-F (2. www.gazovik-gaz.ru. Газовик, г.Саратов, ул. Орджоникидзе, 17), принцип действия которых основан на зависимости частоты колебаний струи измеряемой среды в чувствительном элементе. Чувствительным элементом измерителя служит автогенератор струйных импульсов, частота которых прямопропорциональна объемному расходу, протекающему через устройство формирования перепада давления. Недостатком таких счетчиков-расходомеров является малая чувствительность по перепаду давления для возбуждения колебаний автогенератора.

Известны счетчики-расходомеры газа и жидкости (3. С.Л.Трескунов и др. Струйные автогенераторные расходомеры - новый тип измерителей расходов. Ж.П и СУ, №11, 1990), содержащие основной и байпасный каналы, причем в основном канале расположен частотный генератор на струйных элементах. Основными недостатками таких устройств являются недостаточный динамический диапазон измеряемого расхода, сравнительно большой нижний уровень расхода, с которого начинается измерение.

Использование только струйного счетчика-расходомера, содержащих байпас, при измерении с динамическим диапазоном более 40 также неудовлетворительно, т.к. этот прием не увеличивает динамический диапазон измерения, а лишь приводит к смещению характеристики в сторону увеличения минимальных расходов измерения. Стандартные сужающие устройства, располагаемые в байпасе, также имеют ограничения по диапазону расхода. Кроме того, стандартные сужающие устройства требуют спрямляющие участки на подключаемых трубопроводах.

Частичное устранение недостатков сделано в известном устройстве (5- Н.Gelaar. Volumenzahlermit mit Fluidik - Elementen. Messen, steuern, regeln. 1991, 34, №5, 222-226) в части расширения диапазона и уменьшении нижнего уровня измеряемого расхода, которое является наиболее близким по технической сущности к предложенному изобретению и принятым за прототип.

Это устройство содержит два датчика расхода на разные диапазоны измерения, которые включаются в работу с помощью переключающего клапана. В канале байпаса расположен термоанемометрический датчик расхода для измерения малых расходов (4% всего диапазона расхода). В основном канале расположен струйный частотный датчик расхода (струйный генератор), измеряющий большую часть расхода (96%), выход которого соединен с преобразователем и вычислителем. Недостаток такого метода измерения - это ограничения по измеряемому диапазону, особенно в верхней части диапазона. Объясняется это тем, что при больших величинах расхода в струйном генераторе возникают большие потери давления, поскольку сам струйный генератор расположен в канале, через который проходит весь измеряемый расход. Ограничения по величине потерь давления при измерении вводятся, например, различными техническими условиями (ТУ) в технологических производствах, при перекачке газа, или при применении счетчиков в бытовом секторе в домовых сетях. Для соблюдения этих условий приходится увеличивать размеры чувствительного элемента генератора и всего устройства. Различные способы измерения, примененные в известном устройстве [4] на разных диапазонах расхода, в данном случае аналоговый на термисторах и частотный на струйном генераторе, создают дополнительные трудности согласования выходного сигнала от каждого датчика своего диапазона в вычислителе, при выполнении различных принципов построения преобразователей для передачи сигнала вычислителю. Также дополнительные вопросы приходится решать при обеспечении электропитания преобразователей, в тоже время работа такого устройства неавтономна по электропитанию.

Кроме того, характеристики аналогового датчика перепада давления как индикатора включения байпаса ненадежны, особенно при малых перепадах давления, когда разброс уровня переключения более 50%.

Основной недостаток струйных счетчиков-расходомеров, в которых пропускается расход только через струйный генератор, состоит в нелинейной зависимости между расходом и выходной частотой. При этом для уменьшения нелинейности возникает требование ограничения по создаваемому перепаду давления при измерении максимального расхода в выбранном диапазоне. Кроме того, необходимо обеспечить устойчивые колебания струйного течения при измерении минимального расхода диапазона, при котором перепад давления на счетчике составляет десятые доли Па.

Для обеспечения таких условий работы необходим подбор и согласование характеристик параметров струйных элементов для счетчиков-расходомеров.

Только путем детального анализа и эксперимента можно приблизиться к оптимальному соотношению размеров канала управления и сопла питания для начала устойчивых колебаний струи измеряемого расхода, которое также зависит от положения сопла управления относительно сопла питания, длины пути струйного течения до приемных сопел и длины внешних коммуникационных каналов от приемных каналов до управляющих сопел. Эта сложная геометрия проточной части струйного элемента выбирается экспериментальным путем с привлечением дополнительных аэродинамических эффектов.

Препятствием получения расширенного диапазона в устройстве прототипа [4] является сравнительно узкий диапазон измерения малых расходов в «нижнем» диапазоне, который принуждает охватывать остальную часть требуемого диапазона измерения с помощью струйного генератора на большем перепаде давления, приводящем к нелинейным показателям, а для их отсутствия необходимо уменьшать динамический диапазон измерения.

Техническим результатом предложенного устройства является расширение динамического диапазона измерения расхода при сохранении одновременно начального уровня измерения расхода известного мембранного счетчика и его чувствительности, увеличение ресурса чувствительного элемента, снижение перепада давления и погрешности измерения расхода во всем диапазоне.

Технический результат достигается тем, что в предложенном автономном счетчике газа, содержащем вход и выход газопровода, расположенный в нем струйный преобразователь расхода с электрическим выходом и счетное устройство, по нашему предложению к входу газопровода параллельно струйному преобразователю расхода подключен мембранный преобразователь расхода с электрическим выходом, соединенным со счетным устройством, в котором электрические сигналы обоих преобразователей суммируются, при этом их выходы объединены выходом газопровода, а к входу струйного преобразователя расхода расположен клапан с приводом, управляемый сигналом счетного устройства.

В предложенном счетчике затвор клапана выполнен плоским.

В предложенном счетчике изменение положения затвора клапана осуществляется, например, пьезоприводом.

В предложенном счетчике мембранный и струйный преобразователи расхода расположены внутри газопровода.

В предложенном счетчике струйный преобразователь расхода газа выполнен с байпасом.

Преобразователь расхода, который построен в виде генератора на струйных элементах, позволяет значительно ослабить методическое требование обязательной стабилизации течения потока, которое предполагает наличие спрямляющих участков до и после измерительного устройства.

Сопло питания струйного элемента выполнено с приближением гидравлического сопротивления сопла к гидравлическому сопротивлению в тонкой стенке, обладающей свойством постоянной величины коэффициента истечения, характеризующего стабильность течения, начиная с некоторого числа Re>90. Условия течения в предложенном автономном счетчике газа не нарушают режим течения в трубе процедурой измерения расхода газа.

Сущность изобретения поясняется схемой автономного счетчика газа (чертеж), на которой обозначены основные блоки: 1 - вход газопровода, 2 - выход газопровода, 3 - мембранный преобразователь расхода газа с газораспределительным устройством (он же мембранный счетчик), 4 - электрический преобразователь мембранного счетчика, 5 - счетное устройство, 6 - струйный преобразователь расхода газа (он же струйный счетчик), 7 - электрический преобразователь струйного счетчика, 8 - выход мембранного преобразователя расхода газа, 9 - выход струйного преобразователя расхода газа, 10 - клапан, 11 - затвор клапана, 12 - привод клапана, 13 - байпас струйного преобразователя расхода газа.

Мембранный счетчик 3 и струйный счетчик 6 расположены в одном корпусе, их входы (на схеме не обозначены) объединены с входом 1 газопровода, их выходы 8 и 9 объединены с выходом 2 газопровода так, что поток газа независимо поступает по параллельным каналам в тот или другой счетчик-расходомер. Такое расположение обоих счетчиков позволяет сохранить практически габариты корпуса, в котором находится один мембранный счетчик.

Сигналы в частотной форме от датчиков частоты переключений (на схеме не указаны) поступают через электрические преобразователи 4 и 7 в счетное устройство 5, в котором эти сигналы суммируются, обрабатываются и выдаются на цифровой дисплей устройства 5 в виде количества прошедшего через прибор газа.

Клапан 10, расположенный в канале струйного счетчика 6, может выполняться с аналоговым или дискретным управлением положения затвора 11 приводом 12 от счетного устройства 5. В этом же канале расположен канал байпаса 13 струйного счетчика-расходомера 6, доступ в который при необходимости конструктивно можно закрыть пробкой. Привод 12 можно выполнить в виде электромотора, пьезоэлемента, электромагнита и др. В случае применения пьезопривода достигаются минимальные габариты и вес клапана 10. Затвор 11 может открываться в положение, заданное техусловием (необязательно на полное открытие). При достижении максимального значения частотного сигнала, соответствующего расходу при максимальном перепаде давления, например 200 Па, происходит дальнейшее открытие затвора 11 клапана 10. И так постепенно, пока сигнал от счетного устройства не подаст команду на установку клапана в крайнее положение, соответствующее максимальному расходу. Такая мера открытия затвора 11 позволяет значительно сократить затрату электроэнергии на переключение.

Конструктивно затвор клапана 11 выполнен в виде плоской пластины, например, поворачивающейся приводом 12 и открывающей доступ в канал струйного счетчика-расходомера (если требуется с байпасом). Такая конструкция затвора уменьшает габариты переключающего устройства.

Клапан 10 может быть установлен по потоку после струйного преобразователя, что позволяет выбрать наивыгодный по конструкции его расположения, впереди струйного преобразователя или после него.

Работа предложенного автономного счетчика газа заключается в следующем. С целью сохранения ресурса мембранного преобразователя (считается, что ресурс струйного преобразователя на два порядка выше) выбирается некоторый перепад давления, меньший максимального, например 50%, что применительно к мембранному счетчику типа NPM-G 1,6 составляет 100 Па и расход 0,8 куб.м. Эти данные при наладке фиксируются в счетном устройстве 5. Эта величина в дальнейшем будет определять рубеж включения струйного преобразователя 6. Кроме того, с целью экономии энергии переключения, поскольку счетчик автономный, выбирается согласованная величина первоначального ступенчатого или аналогового открытия клапана, например 30%.

Далее, назначается величина минимального (0,8 куб.м/ч, например, при частоте 80-90 Гц) и максимального расхода газа по характеристике динамического диапазона струйного преобразователя расхода. Примем, что коэффициент динамического диапазона равен 10 при максимальном перепаде на нем 100 Па и частоте 300 Гц. При выбранных значениях величин погрешность измерения расхода с помощью струйного преобразователя составляет менее 1% при измерении больших расходов газа. Таким образом, общий динамический диапазон автономного счетчика газа составит 500, который недоступен одному типоразмеру мембранного преобразователя расхода.

При подаче расхода к потребителю поток газа проходит через предложенный автономный счетчик газа. По мере увеличения расхода, начиная с минимального, нарастает перепад давления на счетчике и частота сигнала мембранного преобразователя 3. При достижении перепада давления, например 100 Па, частота мембранного преобразователя 3 соответствует значению подачи сигнала на привод 12, который формируется в счетном устройстве 5 и открывает затвор 11 на согласованную величину. При этом включается в измерение струйный преобразователь 6 с выходом частотного сигнала в счетное устройство 5. В момент включения в работу струйного преобразователя 6 уменьшается перепад давления на обоих преобразователях расхода 3 и 6.

Первое открытие затвора 11 клапана 10 свидетельствует о появлении величины единичного наполнения частотного импульса расходом газа для струйного преобразователя 6. В дальнейшем изменение этой величины, представляющей собой цену одного импульса в объемном выражении, не происходит, несмотря на переменное положение затвора 11.

Цены одного импульса в объемном выражении мембранного преобразователя 3 и струйного преобразователя 6 остаются постоянными на протяжении измерения по всему диапазону. Текущая сумма частотных сигналов преобразователей 3 и 6, измеряющих расход газа каждый по своему каналу, обрабатывается в счетном устройстве и выдается для фиксации на дисплей счетного устройства 5. При дальнейшем повышении расхода газа, что выражается в падении величины давления после автономного счетчика газа (дополнительно включен, например, газовый котел) и увеличении на нем перепада давления, частота струйного преобразователя достигает максимального значения, которая ориентировочно равна 300 Гц. Для согласования частот в счетном устройстве 5 величину частоты струйного преобразователя 6 можно разделить до величины частоты мембранного преобразователя 3, измеряемой долями Гц.

Далее по максимальному частотному сигналу счетное устройство подает сигнал приводу 12 на дальнейшее открытие затвора 11 клапана 10. И так до полного открытия клапана 10 при максимальном расходе мембранного 3 и струйного 6 преобразователей с сохранением показателей погрешности менее 1-1,5% (известно, что в пределах динамического диапазона 10 величина погрешности измерения струйного преобразователя составляет менее 1%). Величина измеренного расхода газа при этом составит 25 м³/ч. При включении байпаса 13 струйного преобразователя 6 максимальная величина измеряемого расхода приближается к 40-50 м³/ч. Для этого необходимо изменить настроечные параметры включения струйного преобразователя расхода 6.

При снижении расхода уменьшается и перепад давления, и частота, например, до 80 Гц. Тогда затвор 11 клапан 6 закрывается приводом 12 по команде от счетного устройства 5, отключается от измерения струйный преобразователь 6 и работает только мембранный преобразователь 3 с погрешностью 1,5%.

При отсутствии потребления газа дисплей счетного устройства 5 показывает накопленную величину прошедшего газа через автономный счетчик.

Предложенный автономный счетчик газа расширяет динамический диапазон измерения при сохранении одновременно начального уровня измерения расхода мембранным счетчиком и его чувствительности, увеличивает ресурс (в частности, его чувствительного элемента), снижает перепад давления и погрешность измерения расхода во всем диапазоне.