RU1795287C

RU1795287C - Method of measuring gas mass flow rate

Info

Publication number: RU1795287C
Application number: SU904884007A
Authority: RU
Inventors: Андрей Владимирович Бойко; Сергей Алексеевич Золотаревский; Игорь Николаевич Иванов
Original assignee: Государственный научно-исследовательский институт теплоэнергетического приборостроения "НИИтеплоприбор"
Priority date: 1990-11-20
Filing date: 1990-11-20
Publication date: 1993-02-15

Abstract

Использование: при измерении массового расхода в газовой, химической промышленности и в теплоэнергетике. Сущность изобретени : параллельно основному трубопроводу, содержащему первое гидравлическое сопротивление, устанавливают дополнительный трубопровод, содержащий второе и регулируемое гидравлическое сопротивление , куда направл ют часть потока из основного трубопровода, регулируют поток в дополнительном трубопроводе дл поддержани на втором гидравлическом сопротивлении посто нного перепада давлени , преобразуют определ емую величину объемного расхода и перепада давлени в аналоговые сигналы, использу которые вычисл ют величину массового расхода. 1 ил,Usage: when measuring mass flow in the gas, chemical industry and in the power system. SUMMARY OF THE INVENTION: In parallel with the main pipeline containing the first hydraulic resistance, an additional pipe is installed containing the second and adjustable hydraulic resistance, where a part of the flow from the main pipe is directed, the flow in the auxiliary pipe is controlled to maintain a constant pressure drop across the second hydraulic resistance, the volumetric flow rate and pressure drop into the analog signals, using which are calculated in mass flow rate. 1 silt

Description

Изобретение относитс к приборостроению , з именно к расходоизмёрительной технике, и может примен тьс при измере- ни|1 массового или приведенного к нормаль- нЦм услови м объемного расхода и количества газа в газовой, химической про- мцшленности и в теплоэнергетике. Наибо- леЈ полно преимущества изобретени раскрываютс в услови х переменного дав- газа в трубопроводах большого диаметра .The invention relates to instrumentation, namely to a flow metering technique, and can be applied when measuring | 1 mass or reduced to normal conditions volume flow and the amount of gas in a gas, chemical industry and in a power system. Most of the advantages of the invention are disclosed under variable pressure gas conditions in large diameter pipelines.

Известен способ измерени массового расхода среды (1), заключающийс в изме- перепада давлени на гидравличе- CKOJM сопротивлении и объемного расхода (скорости) через него с последующим вычислением отношени этих величин.A known method for measuring the mass flow rate of a medium (1) is to measure the pressure drop across the hydraulic resistance CKOJM and the volume flow rate (speed) through it, followed by calculating the ratio of these values.

Недостатком известного способа вл етс низка точность измерени вследствие низкой точности измерени перепада давлени при значени х менее 30% от максимального допускаемого значени . Необходимость индивидуальной градуировки преобразовател объемного расхода и всего устройства в целом ограничивают область применени известного способа, поскольку капитальные затраты на создание комп-. лекса расходоизмерительных установок, охватывающих весь диапазон работы современных промышленных приборов, чрезвычайно высоки.A disadvantage of the known method is the low accuracy of the measurement due to the low accuracy of measuring the differential pressure at values less than 30% of the maximum allowable value. The need for individual graduation of the volume flow converter and the entire device as a whole limit the scope of the known method, since the capital cost of creating a computer. Lexa flow metering systems, covering the entire range of modern industrial devices, are extremely high.

Известен способ определени массового расхода газа, заключающийс в измерении перепада давлени на гидравлическом сопротивлении и плотности газа с последующим извлечением квадратного корн из произведени сигналов перепада давлени и плотности. В качестве гидравлических сопротивлений наибольшее распространение при реализации известного способа получили стандартные сужающие устройства.A known method for determining the mass flow rate of a gas is to measure the differential pressure across the hydraulic resistance and gas density, and then extract the square root from the product of the differential pressure and density signals. As hydraulic resistance, the most common when implementing the known method received standard narrowing devices.

елate

N4 00N4 00

NN

Недостатком известного способа вл етс низка точность измерени массового расхода газа вследствие повышенного вли ни в зкости, температуры, промышленной вибрации на результаты измерени плотности, а следовательно, и массового расхода газа. Широкому распространению этого способа преп тствует высока стоимость плотномеров и отсутствие на местах эксплуатации метрологических установок их поверки.A disadvantage of the known method is the low accuracy of measuring the gas mass flow rate due to the increased influence of viscosity, temperature, industrial vibration on the density measurement results and, consequently, the gas mass flow rate. The widespread use of this method is hindered by the high cost of densitometers and the lack of metrological verification facilities at the operating sites.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату вл етс способ определени массового расхода газа , описанный на стр. 14 (2), и заключающийс в измерении перепада давлени на гидравлическом сопротивлении, измерении давлени ,температуры, влажности газа, определении состава газа и значени коэффи-. циента сжимаемости. На практике данный способ получил преимущественное распространение благодар универсальности применени , удобству массового производства аппаратурных средств, реализующих способ , и отсутствию необходимости образо- вых расходомерных установок.The closest in technical essence and the achieved result is the method for determining the mass flow rate of gas, described on page 14 (2), which consists in measuring the differential pressure on the hydraulic resistance, measuring pressure, temperature, gas humidity, determining the gas composition and the value of the coefficient . compressibility factor. In practice, this method has gained predominant distribution due to the versatility of use, the convenience of mass production of hardware that implements the method, and the lack of the need for shaped flowmeter installations.

Недостатками известного способа вл ютс низка точность измерени вследствие того, что экспериментальные данные по составу газа получают по результатам периодических лабораторных анализов, а коэффициент сжимаемости определ ют расчетным способом по значени м давлени , температуры и составу газа, а также большое число информационных измерительных сигналов, привод щее к большому количеству аппаратурных средств его реализации .The disadvantages of this method are the low accuracy of the measurement due to the fact that the experimental data on the gas composition is obtained from the results of periodic laboratory analyzes, and the compressibility coefficient is determined by the calculation method from the values of pressure, temperature and gas composition, as well as a large number of information measuring signals, drive General to a large number of hardware tools for its implementation.

Цель изобретени - повышение точности .The purpose of the invention is to improve accuracy.

Цель изобретени достигаетс тем, что в способе определени массового расхода газа в трубопроводе, заключающемс в измерении величины перепада давлени на гидравлическом сопротивлении.основного трубопровода, преобразование этой величины в аналоговый сигнал, по которому в вычислительном устройстве определ ют значение массового расхода, производ т измерение перепада давлени в дополнительном , параллельном основному, трубопроводе, снабженном вторым и регулируемым гидравлическими сопротивлени ми , куда направл ют часть потока из основного трубопровода. Регулируют поток в дополнительном трубопроводе дл поддержани на втором гидравлическом сопротивлении посто нного перепада давлени , определ ют величину частотного сигнала, пропорциональную величине обьемногоThe purpose of the invention is achieved in that in the method for determining the mass flow rate of gas in a pipeline, which consists in measuring the pressure drop across the hydraulic resistance of the main pipe, converting this value into an analog signal, from which the mass flow rate is determined in the computing device, and the differential pressure is measured pressure in an additional parallel to the main pipeline provided with a second and adjustable hydraulic resistances, where a part of the flow from novnogo pipeline. The flow in the auxiliary pipe is regulated to maintain a constant pressure drop on the second hydraulic resistance, the frequency signal proportional to the volumetric value is determined

расхода по перепаду давлени на втором и регулируемом гидравлических сопротивлени х , а значение массового расхода наход т из выражени the pressure drop across the second and adjustable hydraulic resistances, and the mass flow rate is found from the expression

5GM(K2 fiZpT/fQ) ( K2 )5GM (K2 fiZpT / fQ) (K2)

У|ДГЛ+|ДР ,Y | DGL + | DR,

(V(V

где fa - частота, пропорциональна объемному расходу через дополнительный параллельный трубопровод;where fa is the frequency proportional to the volumetric flow rate through an additional parallel pipeline;

1Дрь 1Д|Ј -токовыесигналы перепадов давлени соответственно на регулируемом и втором гидравлических сопротивлени х;1Dr 1D | Ј current differential pressure signals respectively at the adjustable and second hydraulic resistances;

Ki, K2, KQ - предварительно определенные градуировочные коэффициенты, причем .Ki, K2, KQ are predefined calibration coefficients, moreover.

основного трубоM Api+ ApO main pipe M Api + ApO

провода;wires

К2 л Q - дополнительного трубопровода;K2 l Q - additional pipeline;

1Др fa1dr fa

KQ - второго гидравлического со- Q2KQ - second hydraulic co Q2

противлени ;baking sheets;

Gi, G2 - массовые расходы соответственно через основной и дополнительный параллельный трубопроводы при градуировке;Gi, G2 - mass flow rates respectively through the primary and secondary parallel pipelines during graduation;

Q2 - объемный расход через второе гид- .равлическое сопротивление при градуировке;Q2 is the volumetric flow rate through the second hydraulic resistance during calibration;

р- плотность газа при градуировке. На чертеже представлена схема устройства , реализующа за вл емый способ определени массового расхода газа, причемp is the gas density during graduation. The drawing shows a diagram of a device that implements the claimed method of determining the mass flow rate of gas, and

реализаци способа осуществл етс в автоматическом режиме.the implementation of the method is automatic.

Устройство содержит основной трубопровод 1 с установленным в нем гидравлическим сопротивлением, выполненным,The device comprises a main pipe 1 with installed in it hydraulic resistance, made,

например, в виде сопла 2, дополнительный параллельный трубопровод 3. В дополнительном параллельном трубопроводе 3 установлены преобразователь объемного расхода 4, вл ющийс одновременно вторым гидравлическим сопротивлением, стабилизатор перепада давлени 5, вл ющийс одновременно регулируемым гидравлическим сопротивлением, и преобразователи перепада давлени 6 и 7. Выходыfor example, in the form of a nozzle 2, an additional parallel pipe 3. In an additional parallel pipe 3, a volume flow converter 4, which is simultaneously the second hydraulic resistance, a differential pressure stabilizer 5, which is simultaneously adjustable hydraulic resistance, and differential pressure transmitters 6 and 7 are installed. Outputs

преобразователей объемного расхода 4 и перепада давлени 6 и 7 соединены с входами вычислительного преобразовател 8, содержащего блок ввода посто нных значений 9 и индикатор 10. Позици ми 11 и 12 обозначены соответственно вход и выходvolumetric flow rate transducers 4 and differential pressure 6 and 7 are connected to the inputs of the computing transducer 8 containing a constant input unit 9 and an indicator 10. Input and output are designated by 11 and 12, respectively

дополнительного параллельного трубопровода 3.additional parallel pipeline 3.

Реализаци способа осуществл етс следующим образом,The implementation of the method is as follows,

Перед началом работы устройства в пам ть вычислительного преобразовател 8 с помощью блока ввода посто нных значений 9 ввод т индивидуальные значени градуи- ровочных коэффициентов Ki, K.2, KQ. До по- Явлени расхода регулирующий элемент стабилизатора перепада давлени 5 авто- матически занимает положение, обеспечивающее максимально возможный дл преобразовател объемного расхода 4 рас- ход газа. Вычислительный преобразователь 8 производит корректировку смещени нул преобразовател перепада давлени 6, 7 и в случае необходимости преобразовател объемного расхода 4. В качестве преобра- зовател перепада давлени может быть использован преобразователь Сапфир- 2;2ДД-Вн в качестве стабилизатора перепада давлени - СПД (черт. 08870027), в качестве преобразовател объемного рас- хода - струйный автогенератор САГ-200 (черт. 08882096), в качестве вычислительного преобразовател - логической микропроцессорный контроллер Ломиконт Л-110. Все перечисленные аппаратурные средства разработаны в НИИТеплоприборе и выпускаютс серийно. При возникновении расхода через устройство регулирующий элемент стабилизатора перепада давлени 5 перераспредел ет потоки газа по двум параллельным трубопроводам таким образом , чтобы перепад давлени на втором гидравлическом сопротивлении, в качестве которого используетс преобразователь объемного расхода 4, поддерживалс близ- ким к посто нному значению, тем самым обеспечиваютс оптимальные услови работы преобразовател перепада давлени 7, Преобразователь объемного расхода 4 преобразует расход протекающего газа в пропорциональный электрический, например частотно-импульсный, сигнал fa. Преобразователи перепада давлени 6 и 7 преобразуют воспринимаемые ими перепады давлени в унифицированные токовые сигналы Др и tApfc. Сигналы TQ, lApi и IAr подаютс на входы вычислительного преобразовател 8. Вычисление текущего значени массового расхода газа производитс вычислительным преобразователем 8 по формуле (1). Результаты вычислени индицируютс на экране индикатора 10, в качестве которого может использоватьс , например,видеотерминал ВТА2000-15М.Before starting operation of the device, individual values of the calibration coefficients Ki, K.2, KQ are entered into the memory of the computing converter 8 using the constant input unit 9. Prior to the appearance of the flow, the control element of the differential pressure stabilizer 5 automatically takes a position that ensures the maximum gas flow rate for the volumetric flow transducer 4. Computing transducer 8 corrects the zero offset of the differential pressure transducer 6, 7 and, if necessary, the volume flow transducer 4. As a differential pressure transducer, a Sapphire-2; 2DD-Vn transducer can be used as a differential pressure stabilizer (SPD) (dash. 08870027), as the volumetric flow converter — the SAG-200 self-contained jet generator (Fig. 08882096), and the Lomicont L-110 logical microprocessor controller as the computational converter. All of the listed hardware was developed at NIIITeplopribor and are commercially available. When a flow occurs through the device, the differential pressure stabilizer control element 5 redistributes the gas flows through two parallel pipelines so that the differential pressure at the second hydraulic resistance, which is used as a volume flow converter 4, is kept close to a constant value, thereby optimal operating conditions of the differential pressure transducer 7 are provided. The volumetric flow transducer 4 converts the flowing gas flow in proportion An electric signal, for example a pulse frequency, signal fa. Differential pressure transmitters 6 and 7 convert the differential pressure they perceive into standardized current signals dr and tApfc. The signals TQ, lApi and IAr are supplied to the inputs of the computing converter 8. The current value of the mass flow rate of gas is calculated by the computing converter 8 according to the formula (1). The calculation results are displayed on the screen of the indicator 10, for which, for example, the BTA2000-15M video terminal can be used.

В основу изобретени положено то, что падение давлени на измерительном участке устройства, реализующего новый способ определени массового расхода газа, Д р« РСТ, следовательно, сжимаемостью газа можно пренебречь. Здесь рст - среднее значение статического давлени газа в основном трубопроводе 1. Массовый расход через устройство G определ етс очевидным соотношениемThe invention is based on the fact that the pressure drop in the measuring section of a device that implements a new method for determining the mass flow rate of gas, D «PCT, therefore, the compressibility of the gas can be neglected. Here pct is the average value of the static gas pressure in the main pipeline 1. The mass flow through the device G is determined by the obvious ratio

+ G2, + G2,

где Gi и G2 - массовые расходы газа соответственно через основной и дополнительный параллельный трубопроводы;where Gi and G2 are the mass flow rates of gas, respectively, through the primary and secondary parallel pipelines;

р- плотность газа.p is the density of the gas.

Массовые расходы газа через трубопроводы 1 и II можно представить в видеMass gas flow through pipelines 1 and II can be represented as

Gi KiY/(lApi +1ДрО.Gi KiY / (lApi + 1DRO.

G2 K2 (2)G2 K2 (2)

Градуировочный коэффициент Кт может быть получен индивидуальной градуировкой первого гидравлического сопротивлени или в случае применени стандартного сужающего устройства расчетным способом . Градуировочный коэффициент «2 определ етс из индивидуальной градуировки дополнительно параллельного трубопровода 3 отдельно от основного трубопровода 1, что позвол ет дл типоразмериого р да устройств , реализующих за вл емый способ, иметь единственную расходоизмеритель- ную установку, например, подобную усга- .новке УПСГ (черт. 08898144). Здесь под индивидуальной градуировкой дополнительного параллельного трубопровода 3 понимаетс градуировка гидравлического тракта, включающего собственно трубопровод , преобразователь объемного расхода 4- и стабилизатор перепада давлени 5. Эта же расходоизмерительна установка позвол ет определ ть индивидуальный градуиро- вочный коэффициент преобразовател объемного расхода 4 KQ. Плотность измер емого газа можно представить как р G2/Ct2 -(Ка/Ко) IAfЈ/fa , тогда массовый расход газа через основной трубопровод 1 будет равенCalibration coefficient Kt can be obtained by individual calibration of the first hydraulic resistance or in the case of using a standard constriction device by calculation. The calibration factor "2 is determined from the individual graduation of an additionally parallel pipeline 3 separately from the main pipeline 1, which allows for a standard-sized series of devices implementing the inventive method to have a single flow meter installation, for example, similar to the installation of UPSG ( Fig. 08898144). Here, by individual calibration of an additional parallel pipeline 3 we mean the calibration of the hydraulic path, which includes the pipeline itself, a 4- volumetric flow converter and a differential pressure stabilizer 5. The same flow meter allows the individual calibration coefficient of a 4 KQ volumetric flow converter to be determined. The density of the measured gas can be represented as p G2 / Ct2 - (Ka / Co) IAfЈ / fa, then the mass flow of gas through the main pipeline 1 will be equal to

Gi Ki /KQ VIAp (Др, + IAp,)/fQ.Gi Ki / KQ VIAp (Dp, + IAp,) / fQ.

Отсюда с учетом (2) массовый расход через устройство G может быть найден по формуле (1).Hence, taking into account (2), the mass flow rate through the device G can be found by the formula (1).

Применение изобретени позвол ет определ ть массовый расход с высокой точностью , что достигаетс отсутствием необходимости определени влажности, состава и коэффициента сжимаемости газа. Высока точность измерени перепада давлени на втором гидравлическом сопротивлении обеспечиваетс поддержанием его близким, к посто нному значению вблизи верхнего предела измерени . Ограничение регулируемым гидравлическим сопротивлением величины перепада давлени благопри тно сказываетс на работе преобразовател объемного расхода 4, поскольку ограничиваетс и диапазон измерени объемного расхода.The application of the invention allows the mass flow rate to be determined with high accuracy, which is achieved by not having to determine the humidity, composition and compressibility factor of the gas. The high accuracy of measuring the differential pressure at the second hydraulic resistance is ensured by keeping it close to a constant value near the upper limit of measurement. The limitation of the differential pressure value by the adjustable hydraulic resistance favorably affects the operation of the volumetric flow converter 4, since the range of measurement of the volumetric flow rate is also limited.

Кроме этого, достоинством данного технического решени вл етс возможность поэлементной градуировки и поверки каждого преобразовател из комплекта прибора и возможность использовать стандартные сужающие устройства, градуи- ровочные коэффициенты которых определ ютс расчетным способом. Это крайне важно дл устройств коммерческого и технологического учета больших расходов газа, например, в магистральных трубопроводах ввиду чрезвычайно высокой стоимости метрологических стендов,In addition, the advantage of this technical solution is the possibility of elementwise calibration and verification of each transducer from the set of the device and the ability to use standard narrowing devices, the calibration coefficients of which are determined by calculation. This is extremely important for devices for commercial and technological metering of large gas consumption, for example, in trunk pipelines due to the extremely high cost of metrological stands,

Существенным достоинством за вл емого технического решени вл етс высока надежность регистрации метрологических отказов поскольку выход из стро элементов устройства может быть зафиксирован в процессе эксплуатации, а замена элементов не снижает метрологических характеристик устройства. Поскольку стабилизатор перепада давлени 5 поддерживает параметры потока в пределах ограниченного диапазона, то выход из стро преобразовател объемного расхода 4 может быть зафиксирован сравнением сигнала с эталонным , полученным при градуировке. Нестабильные показани преобразовател перепада давлени 7 характеризуют либоA significant advantage of the claimed technical solution is the high reliability of the registration of metrological failures, since the failure of the device elements can be fixed during operation, and the replacement of the elements does not reduce the metrological characteristics of the device. Since the differential pressure stabilizer 5 maintains the flow parameters within a limited range, the failure of the volume flow converter 4 can be detected by comparing the signal with the reference obtained by calibration. The unstable readings of the differential pressure transmitter 7 characterize either

его собственную поломку, либо выход из стро стабилизатора перепада давлени 5. Переключив вход преобразовател перепада давлени 6 с выхода 12 дополнительного параллельного трубопровода 3 на вход 11,its own failure, or failure of the differential pressure stabilizer 5. By switching the input of the differential pressure transducer 6 from the output 12 of the additional parallel pipeline 3 to the input 11,

можно судить о работоспособности преобразователей перепада давлени 6 и 7, сравнива их сигналы.it is possible to judge the operability of differential pressure transducers 6 and 7 by comparing their signals.

Таким образом, в процессе эксплуатации работоспособность каждого аппаратурного средства устройства, реализующего за вл емый способ, может быть проконтролирована без их демонтажа.Thus, during operation, the operability of each hardware of a device that implements the claimed method can be monitored without dismantling them.

Применение способа не ограничиваетс изменением массового расхода газа.The application of the method is not limited to changing the gas mass flow rate.

Способ может примен тьс при измерении массового расхода пара, жидкостей, суспензий и т.д., причем дл измерени расхода жидкости полностью снимаетс ограничение по сжимаемости среды.The method can be used to measure the mass flow rate of steam, liquids, suspensions, etc., and to limit the flow rate of the fluid, the compressibility of the medium is completely removed.

Claims

The claims

The method of determining the mass flow rate of gas, which consists in measuring the pressure drop across the hydraulic resistance of the main pipeline, converting this value into an analog signal, by which the mass flow rate is determined in the computing device, characterized in that, with the purpose of increasing accuracy, measuring the pressure drop is carried out t in an additional parallel main pipeline equipped with a second and adjustable hydraulic resistances, where a part of the flow from the main of the pipeline control the flow in the additional conduit for sub. holding the second hydraulic resistance at a constant pressure drop, determine the frequency signal proportional to the volumetric flow rate from the pressure drop at the second and adjustable hydraulic resistance, and the mass flow rate is found from the expression

GM (K2 iZjt / fa) (Ki / V | QK2)

VlApi + 1Dr +% / 1ArG,

where fa is the frequency proportional to the volumetric flow rate through an additional parallel pipeline;

Др 1Др - current signals of pressure drops, respectively, at the adjustable and second hydraulic resistances;

Ki, K2 and KQ are predefined calibration coefficients, moreover

Gi

Ki

M Api + Lee)

gs.- coefficient of the main pipeline;

K2 - g-- - coefficient complement Ar2

solid pipeline;

coefficient of second hydraulic resistance;

Gi. G2 - mass flow, respectively, through the primary and secondary parallel pipelines during graduation;

AV / # 9

Q2 is the volumetric flow rate through the second hydraulic resistance during calibration: p is the gas density during calibration.