Способ измерения массового и объемного расхода жидкого или газообразного вещества

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ МАССОВОГО И ОБЪЕМНОГО РАСХОДА ЖИДКОГО ИЛИ ГАЗООБРАЗНОГО ВЕЩЕСТВА(71) Заявитель Учреждение образования Могилевский государственный университет продовольствия(72) Автор Пелевин Вячеслав Федорович(73) Патентообладатель Учреждение образования Могилевский государственный университет продовольствия(57) Способ измерения массового и объемного расхода жидкого или газообразного вещества, при котором измеряют перепад давления до и после отвода части потока вещества и измеряют объемный расход отводимой части потока вещества об, причем перепад давления после отвода части потока веществаизмеряют на сужающем устройстве, расположенном на участке трубопровода с байпасным отводом, отличающийся тем, что перепад давления до отвода части потока веществаизмеряют на дополнительном сужающем устройстве, причем расстояние между сужающими устройствами составляет более 15 диаметров трубопровода, плотность веществаи величину его массового расходаопределяют непрерывно в соответствии с выражениями где- коэффициент расхода- диаметр входного отверстия сужающего устройства, м- коэффициент расширения измеряемого вещества,а объемный расход вещества- в соответствии с выражением Изобретение относится к способам измерения расхода потоков жидкости, газов и паров и может быть использовано в пищевой, химической, нефтеперерабатывающей и других отраслях промышленности. Известен способ массового и объемного измерения расхода вещества 1, заключающийся в измерении переменного перепада давления с помощью дифманометра на стандартном сужающем устройстве с определением массового(кг/ч) и объемного(м 3/ч) расходов вещества соответственно по формулам 2(2)2 /,4 где- коэффициент расхода- коэффициент расширения измеряемого вещества- диаметр входного отверстия сужающего устройства, м- плотность измеряемого вещества, кг/м 3 р - перепад давления на сужающем устройстве, измеряемый дифманометром, Па. Для определения массового и объемного расхода вещества надо знать не только перепад давления р, коэффициенты ,и диаметрсужающего устройства, но и плотность вещества , что следует из формул (1) и (2). Плотность измеряемого вещества почти всегда изменяется в каких-то пределах при изменении состава вещества и его температуры,что вызывает дополнительную погрешность расходомеров переменного перепада давления и существенно снижает точность измеряемого расхода. Дополнительное применение в измерительной схеме известных плотномеров для измерения плотности в промышленных технологических процессах усложняет схему измерения расхода, снижает ее надежность,удорожает процесс измерения. Известен способ измерения массового и объемного расхода 2, заключающийся в измерении перепада давления р на сужающем устройстве при известной плотности вещества. Для повышения точности измерения массового расхода вещества периодически часть вещества из потока до сужающего устройства отводят через капиллярную трубку в поток вещества за ним, и дополнительно определяют перепад давления р на сужающем устройстве в период отвода вещества, и по измеренным значениям перепада давления р на сужающем устройстве до отвода вещества и в период отвода р определяют величину расхода. Отвод части потока вещества через капиллярную трубку осуществляют по сигналу с управляющего вычислительного устройства на исполнительный механизм, который 2 12272 1 2009.08.30 периодически открывает поворотную заслонку. На вход управляющего вычислительного устройства поступают с дифманометра, установленного на сужающем устройстве, результаты измерений перепадов давлений на сужающем устройстве до отвода потока вещества через капиллярную трубку р и во время отвода р, по которым вычисляется массовый расход вещества. Массовый расход веществав трубопроводе равен сумме массовых расходов вещества через сужающее устройство и через капиллярную трубку при открытой заслонке. Массовый расход вещества через капиллярную трубку измеряют по перепаду давления на ней рк (на основании закона Пуазейля), при этом считают, что он равен перепаду давления р на сужающем устройстве при открытой заслонке, т.е. ркр, если отвод вещества через капиллярную трубку осуществлять на таком же расстоянии, на каком осуществляется отбор давления до и после сужающего устройства. В управляющем вычислительном устройстве хранятся значения всех необходимых коэффициентов, и на основании измеренных значений перепада давления на сужающем устройстве при закрытой заслонке р и на капиллярной трубке при открытой заслонке р (при ркр) происходит обработка результатов измерений и определяется массовый расход вещества,т.е.(, р). Полученный результат реализуется устройством вывода. Недостатком данного способа является использование капиллярных трубок, которые измеряют малый расход вещества, требуют для его определения по перепаду давления на них создание ламинарного потока, требуют индивидуальной градуировки и должны иметь температурную стабилизацию. Отвод вещества через капиллярную трубку в данном случае должен осуществляться на таком же расстоянии, на каком осуществляется отбор давлений до и после сужающего устройства. Перечисленные недостатки увеличивают погрешность измерения расхода данным способом. Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ измерения массового и объемного расхода жидкого и газообразного вещества 3, при котором измеряют перепад давления до и после отвода части потока вещества и измеряют объемный расход отводимой части потока вещества об, причем перепад давления после отвода части потока веществаизмеряют на сужающем устройстве, расположенном на участке трубопровода с байпасным отводом. Отвод части вещества через байпасный отвод осуществляется периодически по сигналу с управляющего вычислительного устройства на исполнительный механизм, который периодически открывает поворотную заслонку. На входы управляющего вычислительного устройства с дифманометра, установленного на сужающем устройстве, поступают результаты измерений перепадов давлений с сужающего устройства до отвода потока вещества через байпасный отводи во время отвода , а также результаты измерения величины объемного расхода об через байпасный отвод, по которым вычисляется массовый расход вещества. В управляющем вычислительном устройстве происходит обработка результатов измерений и вычисляется плотность вещества и массовый расход вещества по формулам 2. 8 об В формулах (1) и (4) коэффициентыприняты одинаковыми, что обеспечивается выбором сужающего устройства таким, чтобы при максимальном перетоке через байпасный отвод расход через стандартное сужающее устройство соответствовал бы числу Рейнольдса , превосходящему его граничное значение. Недостатками данного способа измерения расхода являются измерение перепада давленияна сужающем устройстве и объемного расхода об в байпасном отводе осуществляется только периодически при открытой заслонке. В осталь 2 12272 1 2009.08.30 ное время плотность вещества при закрытой заслонке может изменяться, но это не учитывается при вычислении расхода управляющим вычислительным устройством, что может вызвать дополнительную погрешность измерения расхода наличие в измерительной схеме исполнительного механизма с поворотной заслонкой снижает надежность работы измерительной схемы необходимость наличия в управляющем вычислительном устройстве временного блока по управлению периодическим открытием поворотной заслонки и блока хранения результата периодического вычисления плотности для расчета расхода до следующего момента вычисления по новым данным усложняет схему вычислительного устройства наличие исполнительного механизма требует затрат электроэнергии для его работы и управления поворотной заслонкой, которые будут расти с увеличением диаметра трубопровода, плотности вещества и давления в трубопроводе. Задачей изобретения является повышение точности, надежности, эффективности и экономичности способа измерения расхода вещества. Поставленная задача достигается тем, что перепад давления до отвода части потока вещества р измеряют на дополнительном сужающем устройстве, причем расстояние между сужающими устройствами составляет более 15 диаметров трубопровода, плотность веществаи величину его массового расходаопределяют непрерывно в соответствии с выражениями 224 2 где- коэффициент расхода- диметр входного отверстия сужающего устройства, м- коэффициент расширения измеряемого вещества, а объемный расход вещества в соответствии с выражениемоб.На фигуре показана схема устройства, реализующего способ. Устройство содержит трубопровод 1, дополнительное сужающее устройство 2 с дифманометром 3, сужающее устройство 4 с дифманометром 5, байпасный отвод 6 с измерителем объемного расхода 7, вычислительное устройство 8 и устройство вывода результатов измерения 9. Для обеспечения минимальной погрешности измерения перепада давления р и р сужающими устройствами 2 и 4 расстояние между ними должно быть более 15 диаметров трубопровода. Один вход дифманометров 3 и 5 подключен к трубопроводу 1 до сужающих устройств 2 и 4 соответственно, а другой вход этих дифманометров - после соответствующих сужающих устройств, встроенных в трубопровод 1. Выходы дифманометров 3 и 5 соединены с входом вычислительного устройства 8, другой вход которого соединен с выходом измерителя объемного расхода 7, установленного в байпасном отводе 6. Устройство, реализующее способ, работает следующим образом. Измеряемый поток вещества проходит в трубопроводе 1 через дополнительное сужающее устройство 2, на котором перепад давления р измеряется дифманометром 3 и поступает на вход вычислительного устройства 8. Далее перед сужающим устройством 4 часть потока вещества отводится от трубопровода 1 в байпасный отвод 6, а затем возвращается в основной поток в трубопровод 1 за сужающим устройством 4. Перепад давленияна сужающем устройстве 4 измеряется дифманометром 5 и поступает на вход вычис 12272 1 2009.08.30 лительного устройства 8, куда одновременно поступает величина объемного расхода об от измерителя объемного расхода 7, установленного в байпасном отводе 6. Результаты измерений р, р и об, поступившие на входы вычислительного устройства от сужающих устройств 2, 4 и измерителя объемного расхода 7 соответственно, обрабатываются,вычисляется плотность вещества и массовый расход , которые поступают на устройство вывода результатов измерений 9. Массовый расход потока веществав трубопроводе 1, определяемый до байпасного отвода 6 на дополнительном сужающем устройстве 2 по измеренному дифманометром 3 перепаду давления р, равен где 1 - массовый расход потока вещества в трубопроводе 1, определяемый на сужающем устройстве 4 по измеренному дифманометром 5 перепаду давления р после отвода части потока вещества через байпасный отвод 6 2 - массовый расход вещества через байпасный отвод, определяемый по измеренному объемным измерителем расхода 7 объемному расходу об, равный(6) 2 об. Подставляя в (5) выражение (1) с соответствующими перепадами давления р и р и учитывая (6), получим 2 4 Подставим (8) в (1), получим выражение для вычисления массового расхода Вычислительное устройство 8 непрерывно вычисляет плотность вещества по формуле(9) и массовый расход в трубопроводе 1 по формуле (10) и непрерывно выдает эти результаты в устройство вывода результатов 9. Вычислительное устройство может вычислять также и объемный расход в трубопроводе по полученному значению плотности, что получим, подставляя в (2) выражение (8)об и выдавать его в устройство вывода результатов 9. Для измерения перепада давления р и р сужающие устройства 2 и 4 выбираются с одинаковым диаметромвходного отверстия и с одинаковым модулемсужающего устройства. Коэффициент расходатакже будет одинаков для обоих сужающих устройств,т.к. они выбираются так, чтобы при максимальном потоке через байпасный отвод расход 12272 1 2009.08.30 через сужающие устройства соответствовал числу Рейнольдса. При 105106 коэффициент расходапостоянен для стандартных сужающих устройств. В качестве измерителя объемного расхода в байпасном отводе могут использоваться тахометрические расходомеры и счетчики (турбинные, крыльчатые, камерные, роторные и др.), имеющие вращающийся элемент, скорость движения которого пропорциональна объемному расходу. Они устанавливаются на трубопроводах диаметром от 4 до 750 мм,работают в широком диапазоне температур и давлений. При средних и больших числах Рейнольдса сохраняют постоянные соотношения числа оборотов к величине объемного расхода, имеют линейную статическую характеристику и малую величину погрешности. Для обеспечения минимальной погрешности измерения перепада давления р и р сужающими устройствами 2 и 4 расстояние между ними должно быть более 15 диаметров трубопровода. Таким образом, предложенный способ измерения расхода с помощью сужающего устройства позволяет достичь технического результата - повысить точность измерения расхода, осуществлять непрерывное измерение расхода вещества с переменной или неизвестной плотностью, упростить измерительную схему, расширить диапазон измерения расхода, повысить надежность измерения, снизить энергозатраты, обеспечить высокую эффективность и экономичность процесса измерения расхода вещества. 1. Кремлевский, П.П. Расходомеры и счетчики количества вещества Справочник. Книга первая расходомеры переменного перепада давления, расходомеры переменного уровня, тахометрические расходомеры и счетчики. - СПб Политехника, 2002. - С. 142. 2. А.с. СССР 1530911, И 401 1/34, 1989. 3. А.с. СССР 1673844, И 501 1/34, 2, 1991. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.