Ультразвуковой газовый расходомер-счетчик - RU2165598C1

Описание

Изобретение относится к технике измерения расхода газа, в частности к бытовым ультразвуковым счетчикам для измерения расхода газа с приведением результатов измерения к нормальным условиям по температуре, давлению и плотности газа, и может найти применение в жилищно-коммунальном хозяйстве, в отраслях газовой промышленности для точного учета расхода газа.

Известно устройство - ультразвуковой расходомер, в котором для измерения массового расхода используется дополнительный пьезоэлемент, возбуждаемый на резонансной частоте, который излучает акустические колебания в измеряемое вещество, например газ [1]. Напряжение, снимаемое с пьезоэлемента, пропорционально удельному акустическому сопротивлению, которое, в свою очередь, пропорционально плотности вещества. Путем умножения электрического сигнала, создаваемого этим пьезоэлементом, на величину объемного расхода, который получен на основе измерения времени распространения акустического сигнала между двумя другими пьезоэлементами по потоку измеряемой среды и против потока, определяют произведение объема на плотность, что дает массовый расход. Для получения расхода газа, приведенного к нормальным условиям, необходимо измеренное значение массового расхода отнести к плотности газа при нормальных условиях.

Недостатком этого устройства является невысокая точность измерения массового расхода, которая ограничивается ультразвуковым амплитудным способом измерения плотности.

Наиболее близким по технической сущности является бытовой ультразвуковой расходомер - счетчик для измерения объемного расхода газа, приведенного по давлению и температуре к нормальным условиям, содержащий мерный участок трубопровода с датчиком давления и с двумя встроенными ультразвуковыми преобразователями, соответственно связанными с первым и вторым входом аналогового коммутатора, третий вход которого связан с выходом опорного генератора через таймер, четвертый вход - со вторым выходом таймера через формирователь зондирующих импульсов, а выход коммутатора подключен к первому входу арифметического устройства через последовательно соединенные приемный усилитель, компаратор, триггер, вторым входом связанный со вторым выходом таймера, счетчик импульсов, счетным входом подключенный к выходу опорного генератора, а выходом - к схеме сложения, и схему вычитания, причем выход датчика давления подключен ко второму входу арифметического устройства [2].

Однако известное устройство обладает тем недостатком, что может использоваться для измерения расхода, приведенного к значениям при опорной температуре лишь для одного определенного состава газа. При переходе, например, от измерения природного газа к измерению паров сжиженного газа необходимо введение поправочных коэффициентов или коэффициентов пересчета. Известное устройство обладает также тем недостатком, что оно фактически приводит измеренный объем газа к нормальным условиям только по температуре и давлению и не приводит измеренный объем газа к нормальным условиям по стандартной плотности. Поэтому из-за того, что известное устройство не позволяет проводить измерения разных газов и не позволяет приводить при этом результаты измерений разных газов к одним и тем же одинаковым или нормальным условиям по температуре, давлению и плотности, существует проблема поверки устройств по известному техническому решению стандартными средствами поверки, в которых в качестве рабочей среды используется воздух. Именно из-за отсутствия связи между газами через нормальные условия известный ближайший прототип не позволяет проводить калибровку и аттестацию счетчиков в процессе их массового производства, так как по общепринятым стандартам по условиям техники безопасности запрещено использовать взрывоопасные газы, в частности метан, для калибровки и аттестации счетчиков в процессе их массового выпуска и для периодической поверки в процессе их эксплуатации.

Целью предполагаемого изобретения является повышение точности при измерении различных газовых сред и приведение измеренного объема к стандартной плотности газа, а также получение возможности калибровки, аттестации и проверки счетчиков в процессе их массового производства и обеспечение связи результатов поверки по разным газам между собой.

Поставленная цель достигается тем, что в бытовой ультразвуковой расходомер-счетчик введены последовательно соединенные N-параллельно включенных блоков памяти и второй коммутатор, а также последовательно связанные блок определения типа газовой среды, блок кода стандартной плотности, делитель кодов и суммирующе-регистрирующее устройство, причем выход схемы сложения подключен к входам каждого из N блоков памяти и к входу блока определения типа газовой среды, выход которого связан с управляющим входом второго коммутатора, соединенного выходом с третьим входом арифметического устройства, кодовый выход которого подключен к второму входу делителя кодов.

На чертеже представлена блок-схема предлагаемого устройства.

Бытовой ультразвуковой расходомер-счетчик для измерения объемного расхода газа, приведенного по давлению и температуре к нормальным условиям, содержит мерный участок 1 трубопровода с датчиком 2 давления и с двумя встроенными ультразвуковыми преобразователями 3 и 4, соответственно связанными с первым и вторым входом аналогового коммутатора 5, третий вход которого связан с выходом опорного генератора 6 через таймер 7, четвертый вход - со вторым выходом таймера 7 через формирователь 8 зондирующих импульсов, а выход коммутатора 5 подключен к первому входу арифметического устройства 9 через последовательно соединенные приемный усилитель 10, компаратор 11, триггер 12, вторым входом связанный со вторым выходом таймера 7, счетчик 13 импульсов, счетным входом подключенный к выходу опорного генератора 6, а выходом - к схеме 14 сложения, и схему 14 вычитания, причем выход датчика 2 давления подключен ко второму входу арифметического устройства 9.

Ультразвуковой расходомер - счетчик газа - также содержит последовательно соединение N-параллельно включенных блоков 16,1 16,2,...16.N памяти и второй коммутатор 17, а также последовательно связанные блок 18 определения типа газовой среды, блок 19 кода стандартной плотности, делитель 20 кодов и суммирующе-регистрирующее устройство 21, причем выход схемы 14 сложения подключен к входам каждого из N блоков 16.1, 16.2,...16.N памяти и к входу блока 18 определения типа газовой среды, выход которого связан с управляющим входом второго коммутатора 17, соединенного выходом с третьим входом арифметического устройства 9, кодовый выход которого подключен к второму входу делителя 20 кодов.

Ультразвуковой расходомер - счетчик газа - работает следующим образом.

Измерение скорости потока и расхода газа осуществляется на основе излучения ультразвуковых сигналов в поток контролируемого газа, их распространения по потоку газа и против него, последующим приеме, обратном преобразовании в электрический сигнал с дальнейшей обработкой. Для этого формирователь 8 зондирующих импульсов по запускающим импульсам таймера 7 формирует импульсы с фиксированной амплитудой и заданной длительностью, равной половине длительности периода резонансной частоты одного из двух идентичных ультразвуковых преобразователей 3 или 4. Это необходимо для получения максимального коэффициента передачи ультразвукового сигнала через газ мерного участка 1 газопровода с преобразователями 3 и 4. Длительность и период повторения формируемых импульсов стабилизируется запускающими импульсами таймера 7, работа которого, в свою очередь, синхронизируется высокостабильными колебаниями опорного генератора 6. Период повторения t_п зондирующих импульсов формирователя 8 выбран достаточно большим и равным нескольким десяткам миллисекунд, что необходимо для возобновления очередного цикла работы устройства после полного затухания ультразвуковых реверберационных помех, каждый раз возникающих в мерном участке 1 газопровода между преобразователями 3 и 4 после очередного излучения в контролируемый газ ультразвукового зондирующего импульса.

В первом, например нечетном, цикле измерений осуществляется генерирование, излучение, прием и обработка ультразвукового сигнала при его распространении по потоку газа. В этом случай таймер 7, синхронизируемый высокостабильным опорным генератором 6, формирует на своем первом выходе сигнал управления аналоговым коммутатором 5, который переключается таким образом, что выход формирователя 8 зондирующих импульсов подсоединяется к ультразвуковому преобразователю 3, а преобразователь 4 соединяется со входом приемного усилителя 10. Через промежуток времени, превышающий длительность переходных процессов, после переключения аналогового коммутатора 5 таймер 7 формирует на своем втором выходе импульс, устанавливающий триггер 12 в состояние, которое обозначается как "1". Этот же импульс поступает на вход формирователя 8 зондирующих импульсов 7 и переводит его в активное состояние формирования импульса, который с выхода формирователя 8 поступает через коммутатор 5 на ультразвуковой преобразователь 3. Акустический сигнал, возбуждаемый при этом преобразователем 3, распространяется в мерном участке 1 трубопровода по потоку газа и принимается ультразвуковым преобразователем 4, в котором преобразуется в электрический сигнал, поступающий через коммутатор 5 на приемный усилитель 10. Усиленный сигнал с выхода приемного усилителя 10 поступает на вход компаратора 11, который при превышении сигналом порогового уровня вырабатывает на своем выходе импульс превышения порога. В течение промежутка t₁, равного временной задержке от начала зондирующего импульса до импульса превышения порога, триггер 12 находится в состоянии "1", разрешая работу счетчика 13 импульсов, на счетный вход которого поступают импульсы от высокостабильного опорного генератора 6. По импульсу превышения порога, поступающему с компаратора 11 на триггер 12, последний устанавливается в состоянии "0", что прекращает работу счетчика 13 импульсов. Выходной код счетчика 13 импульсов, соответствующий измеренной временной задержке t₁, равной времени распространения ультразвукового сигнала по потоку газа, поступает на входы схемы 15 вычитания и схемы 14 сложения.

Через промежуток времени t_n, равный периоду повторения зондирующих импульсов, формируется второй, например четный цикл измерений, при котором осуществляется генерирование, излучение, прием и обработка ультразвукового сигнала при его распространении против потока газа. В этом случае таймер 7 переключает аналоговый коммутатор 5 таким образом, что выход формирователя 8 зондирующих импульсов подсоединяется к ультразвуковому преобразователю 4, а преобразователь 3 соединяется со входом приемного усилителя 10. В аналогичной последовательности работы для нечетного цикла измерений таймер 7 формирует на своем втором выходе импульс, устанавливающий триггер 12 в состоянии "1", при котором счетчик 13 импульсов переводится в счетный режим. Этот же импульс переводит формирователь 8 зондирующих импульсов в активное состояние формирования импульса, который с выхода формирователя 8 через коммутатор 5 поступает в этом случае на ультразвуковой преобразователь 4. Акустический сигнал, возбуждаемый при этом преобразователем 4, распространяется против потока газа и принимается ультразвуковым преобразователем 3, в котором преобразуется в электрический сигнал, поступающий через коммутатор 5 на приемный усилитель 10. Усиленный сигнал с выхода приемного усилителя 10 поступает на компаратор 11, который при превышении сигналом порогового уровня вырабатывает на своем выходе импульс, устанавливающий триггер 12 в состояние "0" и тем самым работа счетчика 13 импульсов прекращается. Выходной код счетчика 13 импульсов, соответствующий измеренной задержке t₂ от начала зондирующего импульса до момента пересечения порогового уровня и фактически пропорциональный времени распространения ультразвукового сигнала против потока газа, поступает на схему 15 вычитания и схему 14 сложения, с помощью которых соответственно производится вычисление значений разности задержек (t₂-t₁) и суммы задержек (t₂-t₁). Выходной код, соответствующий разности (t₂-t₁), с выхода схемы 15 вычитания поступает на первый вход арифметического устройства 9.

Выходной код, соответствующий сумме (t₂-t₁), с выхода схемы 14 сложения поступает на N параллельно включенных блоков 16.1, 16.2,...16.N памяти и на вход блока 18 определения типа газовой среды. Работа блоков 16.1, 16.2, ... 16. N, блока 18 как и вся дальнейшая работа устройства осуществляется по определенному алгоритму, функционирование которого следует из анализа уравнений ультразвукового расходомера - счетчика газа.

Объемный расход Q газа в единицу времени при рабочей температуре и давлении P равен:
Q = S · v, (1)
где S - площадь поперечного сечения мерного участка 1 трубопровода;
v - скорость потока газа.

Исходя из массы газа, проходящего через мерный участок 1 трубопровода в единицу времени, определим объемный расход Q₀ газа, приведенный к значению стандартной плотности газа ρ_o при опорных температуре и давлении:

где ρ - плотность газа в рабочих условиях;
Q - объемный расход газа в рабочих условиях в соответствии с выражением (1).

Времена распространения t₁и t₂ ультразвука по потоку газа и против него можно представить в виде:

где L - акустическая база или длина мерного участка трубопровода;
C - скорость ультразвука в газе.

В этом случае выражение (1) для объемного расхода газа с учетом уравнений (3) представляется в виде:

где S - площадь поперечного сечения трубопровода;
v - средняя по сечению трубопровода скорость потока газа.

Для бытового ультразвукового расходомера диаметр сечения трубопровода выбирается таким образом, чтобы течение газа можно было рассмотреть как однородное и несжимаемое по всей длине мерного участка трубопровода. Это условие выполняется, если v² << C² [3].

Легко убедиться, что для обычного бытового трубопровода с диаметром 20 мм при максимальном расходе газа 10 м³/ч, отношение v²/C² ≈ 4·10^-4. Следовательно, выражение (4) с достаточно высокой степенью точности можно вычислять в виде:

где A - геометрический параметр мерного участка 1 трубопровода.

Скорость ультразвука в газе для частот ниже 10⁶ Гц может быть выражена по формуле:

где χ - показатель адиабаты газовой среды
Тогда с учетом выражений (2), (5) и (6) объемный расход газа, приведенный к значению при опорных температурах, давлении и стандартной плотности газа ρ_o, определяется по формуле:

Полученное выражение (7) является точным исходным уравнением предложенного бытового ультразвукового расходомера - счетчика газ. В соответствии с этим уравнением реализуется алгоритм работы расходомера-счетчика. Согласно уравнению (7) арифметическое устройство 9 производит операцию перемножения кодовых сигналов, пропорциональных разности временных интервалов (t₂-t₁), которые подаются на первый его вход с выхода схемы 15 вычитания, с кодовым сигналом, пропорциональным давлению P, который подается на второй вход арифметического устройства 9 с выхода датчика 2 давления. Полученный результат умножается на постоянный множитель A и на значение показателя адиабаты χ, который для каждого вида газа выбирается посредством второго коммутатора 17 и корректируется с помощью блоков 16.1, 16.2,...16.N памяти по суммарной кодовой величине времени (t₂+t₁) распространения ультразвука в газе, подаваемой с выхода схемы 14 сложения на входы блоков 16.1, 16.2,...16.N памяти. Блок 18 определения типа газовой среды также работает по коду суммарной величины (t₁+t₂) и формирует на своих выходах один из N уровней сигнала, пропорционального типу газовой среды.

Такое решение основано на том, что возможные значения скорости ультразвука в природном газе для известных различных месторождений [4] при 0^oC находятся в пределах (414-431) м/с. Скорость ультразвука в воздухе при 0^oC находится в пределах (328-335) м/с. В парах сжиженного газа с различной концентрацией пропана и бутана в смеси при 0^oC скорость ультразвука находится в пределах значений (207-226) м/с. Исходя из этого, можно определить, что в температурном диапазоне от минус 50 до +50^oC области возможных значений скорости ультразвука в природном газе, воздухе и в парах сжиженного газа не перекрываются. Возможно измерение расхода других газов, т.к. каждый из них обладает своим значением скорости ультразвука [5].

В зависимости от уровня сигнала, поступающего на вход второго коммутатора 17 с выхода блока 18 определения типа газовой среды, осуществляется выбор вторым коммутатором 17 показателя адиабаты χ по кодовым сигналам одного из N параллельно включенных блоков 16.1, 16.2,...16.N памяти, каждый из которых на своем выходе формирует код, пропорциональный показателю адиабаты, в зависимости от суммарного времени (t₁+t₂) распространения ультразвука в газе. Это обеспечивает высокую точность задания показателя адиабаты как функцию температурного газа.

Кроме того, каждый из N параллельно включенных блоков 16.1, 16.2,...,16. N памяти содержит в памяти не точно свое, присущее данному газу для данной скорости ультразвука значение показателя адиабаты χ, а некоторое предварительно уточненное значение показателя адиабаты χ, умноженное на поправочный коэффициент k, связанный с изменением профиля потока газа через измерительный участок 1 трубопровода, т.е. значение kχ. Это обусловлено тем, что каждый газ имеет свою присущую ему кинематическую вязкость, поэтому с изменением типа газа возникает изменение профиля потока, приводящее к различным показаниям расхода для разных газов. Поэтому поправочный коэффициент k позволяет обеспечивать связь результатов измерений для разных газов между собой.

По уровню сигнала, поступающего с выхода блока 18, блок 19 кода стандартной плотности формирует на своем выходе параллельный кодовый сигнал стандартной плотности, соответствующий тому или другому газу. Например, при измерении расхода метана по суммарному времени (t₁+t₂) распространения ультразвука в метане блок 18 определения типа газовой среды формирует на своем выходе такой уровень сигнала, что блок 19 кода формирует, в свою очередь, двоичный параллельный код, соответствующий стандартной плотности метана 0,72 г/см³.

Следовательно, с учетом поправочного коэффициента k на изменение профиля потока газа и изменяемого показателя адиабаты χ как функции суммарного времени (t₁+t₂), выражение, описывающее работу арифметического устройства 9, представляется формированием на выходе устройства 9 кодового сигнала, пропорционального массовому расходу газа:
Q_m = A · k · χ · P · (t₂ - t₁). (8)
С выхода арифметического устройства 9 код массового расхода газа подается на делитель 20 кодов, в котором делится на кодовый сигнал стандартной плотности измеряемого газа, поступающий с блока 19 кода стандартной плотности. Исходя из уравнения (8) и функции делителя 20 кодов выходной кодовый сигнал делителя 20 кодов пропорционален объемному расходу газа, приведенному к нормальным условиям по давлению, температуре и стандартной плотности:

Реализованное устройством уравнение (9) аналогично исходному уравнению (7) и позволяет получить высокую точность измерений объемного расхода газа, приведенного к нормальным условиям.

Выходной кодовый сигнал с выхода делителя 20 кодов подается на суммирующе-регистрирующее устройство 21, в котором производится накопление информации о суммарном объеме газа, прошедшем через мерный участок 1 трубопровода.

Следовательно, в предложенном техническом решении повышается точность при измерении различных газовых сред, причем все измеренные газы приводятся по объемному расходу к нормальным условиям по температуре, давлению и к стандартной плотности, характерной для каждого газа в нормальных условиях. Это позволяет связывать между собой результаты измерений объемного расхода разных газов и приводить эти результаты к одним и тем же одинаковым или нормальным условиям по температуре, давлению и плотности.В итоге достигается возможность калибровать,аттестовывать и поверять счетчики в процессе их массового производства на воздухе и распространять эти результаты на измерения объемных расходов других газов, что соответствует общепринятым стандартам. В принципе работы предложенного устройства заложены, как показано выше, алгоритмы, обеспечивающие связь результатов измерений и поверок по разным газам между собой.

Несмотря на некоторую сложность предложенного технического решения, все функциональные узлы и блоки ультразвукового расходомера - счетчика газа - выполнены на основе микропроцессорного устройства, что позволяет получить его большую надежность при высокой точности измерений.

Реферат

Сущность изобретения: расходомер-счетчик содержит мерный участок трубопровода с датчиком давления и двумя встроенными ультразвуковыми преобразователями, опорный генератор, таймер, формирователь зондирующих импульсов, схему сложения, последовательно соединенные аналоговый коммутатор, приемный усилитель, компаратор, триггер, счетчик импульсов, схему вычитания и арифметическое устройство. В расходомер-счетчик также введены последовательно соединенные N параллельно включенных блоков памяти, второй коммутатор, последовательно связанные блок определения типа газовой среды, блок кода стандартной плотности, делитель кодов и суммирующе-регистрирующее устройство. Изобретение обеспечивает повышение точности измерения расхода газов разного состава за счет приведения результатов измерения к стандартной плотности, характерной для измеряемого газа в нормальных условиях. 1 ил.

Формула