Информационно-измерительная система расхода пульсирующих потоков газа методом переменного перепада давлений тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.16, кандидат технических наук Кротов, Александр Васильевич

• Кротов, Александр Васильевич
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Кротов, Александр Васильевич

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. МЕТОД И ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА РАСХОДА ГАЗА.

1.1. Метод переменного перепада давлений.

1.1.1. Теоретические основы метода переменного перепада давлений.

1.1.2. Практическая реализация метода переменного перепада давлений.

1.1.3. Анализ источников погрешности и оценка точности измерения расхода газа методом переменного перепада давлений.

1.1.4. Структурная схема измерения расхода газа.

1.1.5. Инерционные свойства датчиков.

1.1.6. Измерение расхода газа в действующих измерительных системах.

1.1.7. Алгоритм обработки измерительной информации в действующих информационно-измерительных системах.

1.2. Характер и происхождение пульсаций потока при транспорте газа.

1.3. Методы и устройства борьбы с дополнительной систематической погрешностью от пульсаций.

ГЛАВА 2. НОВЫЙ МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА ПУЛЬСИРУЮЩИХ ПОТОКОВ ГАЗА.

2.1. Исследование систематической погрешности измерения расхода газа при пульсациях газового потока.

2.1.1. Влияние пульсаций на коэффициент расхода.

2.1.2. Систематическая погрешность от пульсаций прямоугольной формы.

2.1.3. Систематическая погрешность от пульсаций синусоидальной формы.

2.2. Новый метод измерения расхода пульсирующих потоков газа.

2.2.1. Теоретические основы метода.

2.2.2. Измерение расхода пульсирующих потоков газа с учетом переменной составляющей параметров потока.

2.3. Введение дополнительных источников информации.

2.4. Сравнительная оценка точности нового метода измерения расхода пульсирующих потоков газа.

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА ПУЛЬСИРУЮЩИХ ПОТОКОВ ГАЗА.

3.1. Структура ИИС расхода пульсирующих потоков газа.

3.2. Конструктивные и схемотехнические решения ИИС расхода пульсирующих потоков газа.

3.2.1. Конструктивные и схемотехнические решения измерительного преобразователя.

3.2.1.1. Выбор быстродействующих датчиков переменной составляющей давления и их характеристики.

3.2.1.2. Измерение переменной составляющей перепада давлений.

3.2.1.3. Разработка конструкции измерительного преобразователя.

3.2.2. Блок масштабирования и согласования. Функциональная блок-схема и схемотехнические решения.

3.2.3. Блок АЦП. Функциональная блок-схема и схемотехнические решения.

3.2.3.1. Мультиплексоры.

3.2.3.2. Входные буферные усилители.

3.2.3.3. АЦП.

3.2.4. Преобразователь интерфейсов. Функциональная блок-схема и схемотехнические решения.

3.2.5. Информационно-вычислительное устройство. Основные технические решения и алгоритм функционирования.

3.2.6. Описание прикладного программного обеспечения ИВУ.

3.2.6. Принципиальная электрическая схема ИИС расхода пульсирующих потоков газа.

ГЛАВА 4. АНАЛИЗ ИСТОЧНИКОВ ПОГРЕШНОСТИ И ОЦЕНКА СУММАРНОЙ ПОГРЕШНОСТИ ИИС ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА ПУЛЬСИРУЮЩИХ ПОТОКОВ ГАЗА.

4.1. Аналитическое исследование погрешности обработки измерительной информации в структурных элементах ИИС измерения расхода пульсирующих потоков газа.

4.1.1. Анализ источников погрешности и оценка точности преобразования измерительной информации в ВМС.

4.1.2. Анализ источников погрешности и оценка точности преобразования измерительной информации блоком АЦП.

4.1.3. Преобразователь интерфейсов.

4.1.4. Погрешности и оценка точности ИВУ.

4.1.5. Оценка суммарной погрешности обработки измерительной информации в структурных элементах ИИС измерения расхода пульсирующих потоков газа.

4.2. Экспериментальное исследование погрешности обработки измерительной информации в структурных элементах ИИС измерения расхода пульсирующих потоков газа.

4.2.1. Определение суммарной погрешности обработки измерительной информации в структурных элементах ИИС измерения расхода пульсирующих потоков газа в потоках без пульсаций.

4.2.2. Определение суммарной погрешности обработки измерительной информации в структурных элементах ИИС измерения расхода пульсирующих потоков газа в потоках с пульсациями синусоидальной формы.

4.3. Оценка суммарной погрешности измерения в ИИС расхода газа новым методом.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Информационно-измерительная система расхода пульсирующих потоков газа методом переменного перепада давлений»

Проблема повышения точности измерения расхода газа является существенной как для газовой, так и для других отраслей промышленности, так как затрагивает качественные стороны управления технологическими процессами, а также экономические вопросы при расчетах между поставщиками и потребителями.

В настоящее время широкое распространение на газоизмерительных станциях получил метод переменного перепада давлений. Это объясняется в основном тем, что расходомеры с сужающими устройствами не требуют образцовых расходомеров для своей градуировки и поверки, потому что для большинства их разновидностей были экспериментально установлены и нормированы их коэффициенты расходов и расширения в международном стандарте ISO 5167 и других рекомендациях ISO. В России на основании стандарта ISO 5167 разработан и действует ГОСТ 8.563 [21].

Однако учет количества газа при его транспортировке по магистральным газопроводам связан с рядом трудностей. Основной из них является проблема измерения расхода в пульсирующих потоках газа. При транспортировке газа по магистральным газопроводам в них возникают пульсации, которые оказывают негативное влияние как на саму газотранспортную систему (за счет гидравлических ударов), так и на результаты измерений расхода.

Пульсирующий режим течения - такое течение потока, при котором максимальная частота в спектре измеряемых параметров потока превышает максимальную частоту в полосе пропускания систем их измерения. Такие измерительные системы не пропускают высокочастотные составляющие, и, таким образом, фиксируют значения параметров потока с усреднением.

Под системами измерений параметров потока подразумевают диафрагму, установленную в измерительном трубопроводе, камеры для отбора давления, соединительные (импульсные) линии для передачи давления, измерительные преобразователи, электрические линии связи, вторичные средства измерений.

Проблема измерения расхода пульсирующих потоков газа заключается в нелинейной зависимости между расходом и параметрами потока, которую в упрощенном виде можно представить следующим образом: где: qc - массовый расход газа; сд - обобщенный коэффициент расхода, учитывающий физико-химические параметры газа, а также параметры диафрагмы и измерительного трубопровода; Р - давление- газа перед диафрагмой; АР - перепад давлений на измерительной диафрагме; Г с температура газа; С = —~=. л/Г

Точность определения расхода методом переменного перепада давлений напрямую зависит от точности используемых измерительных преобразователей. Поэтому, в газоизмерительных системах используются высокоточные датчики для измерения параметров потока с низкой относительной погрешностью измерения порядка 0,1%. Однако, высокая точность измерения обычно связана с высокой инерционностью преобразования измерительной информации в датчиках. В результате такие датчики производят измерение параметров потока с усреднением. Но корень квадратный из произведения средних значений параметров потока всегда больше среднего корня из произведения мгновенных значений давления на перепад давлений. В результате в метод переменного перепада давлений вносится дополнительная систематическая погрешность [11].

Температура является параметром, инерционные свойства которого сопоставимы с инерционностью средств ее измерения, поэтому температура

1) не вносит вклад в величину дополнительной систематической погрешности от пульсаций параметров потока.

Пульсации параметров потока представляют собой сигналы сложной и непредсказуемой формы и могут возникать по ряду причин, поэтому учет пульсаций аналитическим образом является сложной и трудоемкой задачей. Для определения характера, формы, частоты и амплитуды пульсаций параметров потока требуется соответствующее быстродействующее оборудование.

Проблема появления дополнительной систематической погрешности при измерении расхода пульсирующих потоков газа особенно существенна для систем коммерческого учета, так как затрагивает экономические стороны при расчетах между поставщиками и потребителями газа. Ведь измерение расхода газа с положительной дополнительной систематической погрешностью приводит к завышению результатов измерения количества потребляемого газа и потребителю приходится платить больше, чем было получено в действительности.

Например, если некоторая область потребляет 1 млрд. м3 в год, и измерение количества газа производится с дополнительной систематической погрешностью от пульсаций /„=0,3%, то по показаниям расходомеров область будет потреблять 1,003 млрд. м3 в год. В этом случае потребитель будет дополнительно переплачивать 3 млн. м3 неиспользованного газа в год. При стоимости газа 0,4 руб. за м3, потребитель переплачивает 1,2 млн. руб. за год.

Цель данной работы заключается в разработке нового метода измерения расхода пульсирующих потоков газа с помощью сужающих устройств и информационно-измерительной системы, устраняющих дополнительную систематическую погрешность от пульсаций.

Заключение диссертации по теме «Информационно-измерительные и управляющие системы (по отраслям)», Кротов, Александр Васильевич

Заключение

В данной работе представлены следующие результаты: 1. Поведен анализ действующих информационно-измерительных систем измерения расхода методом переменного перепада давлений: анализ структуры современных действующих информационно-измерительных систем показал, что для измерения параметров потока используются инерционные датчики давления и перепада давлений, за счет этого в результаты измерения расхода пульсирующих потоков газа вносится дополнительная систематическая погрешность; исследование быстродействия средств измерения, используемых в информационно-измерительных системах измерения расхода методом переменного перепада давлений, показал, что полоса пропускания датчиков давления и перепада давлений ограничивается сверху частотой 1 - 20 Гц; исследование погрешности измерения расхода газа методом переменного перепада давлений показало, что погрешность определения коэффициента расхода составляет ус = 0,7%, а погрешность измерения расхода составляет у = 0,71%; анализ современных способов борьбы с пульсациями показал, что они обладают рядом недостатков:

• конструктивные методы борьбы дорогостоящие и не устраняют пульсации полностью, а лишь сглаживают их;

• введение коррекции на дополнительную систематическую погрешность от пульсаций с помощью зависимости (5) не учитывает форму и характер пульсаций, поэтому в большинстве случаев дает неточный результат, а также не позволяет производить коррекцию в автоматическом режиме; анализ принципа измерения расхода газа методом переменного перепада давлений и алгоритма обработки измерительной информации в действующих информационно-измерительных системах показал, что при измерении расхода пульсирующих потоков газа появляется дополнительная систематическая погрешность.

2. Разработаны теоретические основы нового метода измерения расхода пульсирующих потоков газа, устраняющего дополнительную систематическую погрешность от пульсаций: исследование пульсаций давления и перепада давлений показало, что пульсации не оказывают влияния на дополнительную систематическую погрешность определения коэффициента расхода С; исследование дополнительной систематической погрешности измерения расхода газа при пульсациях различной формы показало, что для устранения дополнительной систематической погрешности необходимо знать и определять следующие параметры:

• форму и частоту пульсаций давления и перепада давлений;

• относительные отклонения пульсаций давления и перепада давлений от своих средних значений;

• сдвиг по фазе между пульсациями давления и перепада давлений; разработан новый метод измерения расхода пульсирующих потоков газа, устраняющий дополнительную систематическую погрешность от пульсаций давления и перепада давлений; разработана математическая модель определения расхода в пульсирующих потоках газа методом переменного перепада давлений, устраняющая дополнительную систематическую погрешность от пульсаций; сравнительная оценка точности нового метода измерения расхода пульсирующих потоков газа показала, что новый метод позволяет повысить точность измерения расхода пульсирующих потоков газа на 10%.

3. Разработана структура и структурные элементы информационно-измерительной системы измерения расхода пульсирующих потоков газа, реализующая новый метод: разработана структурная схема информационно-измерительной системы расхода пульсирующих потоков газа; определены информационные потоки и требования к структурным элементам информационно-измерительной системы расхода пульсирующих потоков газа; разработана конструкция и схемотехнические решения структурных элементов информационно-измерительной системы расхода пульсирующих потоков газа методом переменного перепада давлений; разработан алгоритм обработки измерительной информации в информационно-измерительной системе расхода пульсирующих потоков газа; разработано прикладное программное обеспечение для информационно-измерительной системы расхода пульсирующих потоков газа.

4. Проведено исследование погрешности измерения расхода пульсирующих потоков газа в информационно-измерительной системе с помощью нового метода: исследованы источники погрешности преобразования измерительной информации в информационно-измерительной системе измерения расхода пульсирующих потоков газа; оценка суммарной погрешности обработки измерительной информации в информационно-измерительной системе измерения расхода пульсирующих потоков газа показала, что погрешность, вносимая структурными элементами информационно-измерительной системы, составляет уиис = 0,025%; определена суммарная погрешность измерения расхода пульсирующих потоков газа с помощью нового метода yq = 0,72%.

Техническая реализация предлагаемого метода стала возможной благодаря передовым разработкам в области микропроцессорной техники.

Новый метод и информационно-измерительная система по своим качественным характеристикам значительно превосходят существующие способы борьбы с пульсациями параметров потока. Так, ИИС измерения расхода пульсирующих потоков газа позволяет избавиться от обустройства газоизмерительных станций дополнительными дорогостоящими спрямителями потоков, балластными и акустическими емкостями, которые сглаживают пульсации, но не устраняют их полностью. Кроме того, новый метод дает достоверную информацию о величине расхода пульсирующих потоков газа и позволяет производить измерение пульсирующих расходов в автоматическом режиме в отличие от метода, предлагаемого в ГОСТ 8.563, рекомендующего вводить поправку на величину измеренного объема газа определяемую в соответствии с формулой Д. 1.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Кротов, Александр Васильевич, 2005 год

1. Браго Е.Н. Методы и устройства цифрового преобразования информации в измерительных системах нефтяной промышленности. М.: «Недра», 1976.

2. Брянский Л.Н. Дойников А.С. Краткий справочник метролога: Справочник. М.: Издательство стандартов, 1991.

3. Бычкова Н.Д. Метрология. Курс лекций. М.: РГУ нефти и газа, 1999.

4. Великанов М.А. Динамика русловых потоков: Том первый: Структура потока Издание третье, полностью переработанное -Государственное издательство технико-теоретической литературы, Москва, 1954.

5. Великанов М.А. Пульсации скоростей в турбулентном потоке. Изв. НМИ, 1929.

6. Гельман М.М. Системные аналого-цифровые преобразователи и процессоры сигналов. М.: Мир, 1999.

7. Глюкман Л.И. Пьезоэлектрические кварцевые резонаторы. 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 1981.

8. ГОСТ 24736-81. Преобразователи интегральные цифро-аналоговые и аналого-цифровые.

9. ГОСТ 8.009-84. Нормируемые метрологические характеристики средств измерений.

10. ГОСТ 8.563.2-97. Измерение расхода и количества жидкостей и газов методом переменного перепада давления. Методика выполнения измерений с помощью сужающих устройств. Введен с 01.10.99 г.

11. Межгосударственный совет по стандартизации, метрологии и сертификации. Минск.

12. ГОСТ 30319.0-96. Газ природный. Методы расчета физических свойств. Общие положения. Межгосударственный совет по стандартизации, метрологии и сертификации. Минск.

13. ГОСТ 30319.1-96. Газ природный. Методы расчета физических свойств. Определение физических свойств природного газа, его компонентов и продуктов его переработки. Межгосударственный совет по стандартизации, метрологии и сертификации. Минск.

14. ГОСТ 30319.2-96. Газ природный. Методы расчета физических свойств. Определение коэффициента сжимаемости. Межгосударственный совет по стандартизации, метрологии и сертификации. Минск.

15. ГОСТ 30319.3-96. Газ природный. Методы расчета физических свойств. Определение физических свойств по уравнению состояния. Межгосударственный совет по стандартизации, метрологии и сертификации. Минск.

16. Гусейнзаде М.А., Голицина М.Г., Калашникова Е.С. Переходный режим течения газа в газопроводах. М.: РГУ нефти и газа, 1998.

17. Динков В.А., Галиуллин З.Т., Подкопаев А.П. Расчет коэффициента сжимаемости углеводородных газов и их смесей: Справочное пособие. М.: Недра, 1984.

18. Кабза 3. Математическое моделирование расходометров с сужающими устройствами. Л.: Машиностроение, 1981.

19. Катыс Г.П. Элементы систем автоматического контроля нестационарных потоков. М.: Изд-во АН СССР, 1959.

20. Колмогоров А.Н. Статистическая теория колебаний с непрерывным спектром, АН, Юбилейный сб., 1947.

21. Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества веществ: Справочник: Кн. 1. 5-е изд. перераб. и доп. - СПб.: Политехника, 2002.

22. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. М.: Наука, 1987.

23. Математическое моделирование технологических объектов магистрального транспорта газа / Константинова И.М., Дубинский А.В., Дубровский В.В. и др., Москва: «Недра», 1988.

24. Мессерман А.С., Якубович В.А. Датчики пульсаций давления. Обзор по основным направлениям развития отрасли/Серия «Автоматизация телемеханизация нефтяной промышленности». М.: ВНИИОЭНГ, 1978.

25. Мессерман А.С., Якубович В.А. К расчету средств гашения пульсаций в трубопроводах поршневых компрессоров. М.: ВНИИОЭНГ, РНТС «Машины и нефтяное оборудование», №5, 1975.

26. Никамин В.А. Аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи. Справочник. СПб.: КОРОНА принт; М.: «Альтекс-А», 2003.

27. Орнатский П.П. Автоматические измерения и приборы. Киев: Вища школа, 1986.

28. Расчет и конструирование расходомеров / Под ред. П.П. Кремлевского . Л.: Машиностроение, 1978.

29. Рябинин В.А., Остроумов М.А., Свит Т.Ф. Термодинамические свойства веществ. -М.: Химия, 1977.

30. Станюкович К.П. Неустановившееся движение сплошной среды. -М.: Наука, 1976.

31. Сухарев М.Г., Карасевич A.M. Технологических расчет и обеспечение надежности газо- и нефтепроводов. — М.: ГУП Издательство «Нефть и газ» РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2000, стр. 40-43

32. Теоретические основы информационно-измерительной техники. Орнатский П.П. Киев: «Вища школа», 1976.

33. Теория элементов пневмоники. Залманзон Л.А. Главная редакция физико-математической литературы изд-ва «Наука», 1969.

34. Туричин A.M. Электрические измерения неэлектрических величин. Издание второе переработанное. М.: Госэнергоиздат, 1954.

35. Цапенко М.П. Измерительные информационные системы. Учеб. пособие для вузов. М.: «Энергия», 1974.

36. Чарный И.А. Неустановившееся движение реальной жидкости в трубах (2-е издание). — М.: Недра, 1975.

37. Черный Г.Г. Газовая динамика: Учебник для университетов и втузов. -М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1988.

38. Шорников Е.А. Расходомеры энергоносителей и повышение точности измерений разности расходов, температур и потребляемой теплоты. СПб.: НПО ЦКТИ, 1995.

39. ISO 5167-1:2003(Е). Measurement of fluid flow by means of pressure differential devices inserted in circular cross-section conduits running full Part 1: General principles and requirements. Published in Switzerland.

40. ISO 5167-2:2003(E). Measurement of fluid flow by means of pressure differential devices inserted in circular cross-section conduits running full Part 2: Orifice plates. Published in Switzerland.

41. K.W. Bonsig. Technische durchfluss messung/ Vulkan-verlag, Essen, 1987.