Современное состояние измерений расхода веществ тепловыми методами

Сообщение, сделанное д.т.н. Г.А. Соколовым, к.т.н. Н.А. Сягаевым, а также К.Р. Тугушевым (Санкт-Петербургский технологический институт) на XII конференции "Совершенствование измерений расхода жидкости, газа и пара"

Проблема создания и совершенствования методов и средств измерения расходов веществ, обладающих специфическими свойствами (агрессивность, нестационарность физико-химических характеристик, высокая вязкость) и функционирующих в различного рода сложных условиях эксплуатации, несмотря на определенный прогресс, остается весьма актуальной.
Развитие бесконтактного теплового метода в направлении синтеза интеллектуальных многоканальных тепловых расходомеров позволило существенно улучшить их метрологические характеристики при решении сложных задач измерения расхода. При создании таких многоканальных расходомеров использовались некоторые принципы теории инвариантности, в соответствии с которыми первичный измерительный преобразователь (ПИП) теплового расходомера должен обеспечивать организацию как минимум двух каналов передачи первичной информации помимо канала компенсации возмущающего воздействия температуры потока вещества (Обновлевский П.А., Соколов Г.А. "Тепловые системы контроля параметров процессов химической технологии", Л.: “Химия”, 1982).
Это является необходимым условием автономизации информации об измеряемой величине (расходе) и неинформативных величинах (изменяющихся свойствах веществ).

Предложены и реализованы две структуры многоканальных тепловых расходомеров (МТР), которые могут создаваться на основе термоконвективных ПИП. В МТР первого типа организация каждого из каналов передачи первичной информации осуществляется с помощью отдельного термопреобразователя или оба канала базируются на комплексной информации, генерируемой одним термопреобразователем. На основе структуры второго рода синтезируются только меточные МТР.
Реализация алгоритмов функционирования МТР предполагает использование широких возможностей вычислительной техники. Создание МТР позволило снизить методическую погрешность измерения расхода вязких жидкостей. Для этого использовалась структура МТР первого типа. Так, для расходомера под мазут дополнительная погрешность измерения уменьшена в 5 раз и составила 0,2%/100°С (Соколов Г.А., Сягаев Н.А., Новичков Ю.А. "Бесконтактный метод измерения расхода мазута". Материалы 12-й Международной научно-практической конференции "Коммерческий учет энергоносителей", СПб, 2000).
Существенно снижено влияние нестабильности свойств измеряемых потоков растворов жидкостей на показания меточного МТР, в котором использованы два контрольных участка измерения времени переноса метки (t). Причем на первом участке по ходу метки на информативную величину t влияют как значение объемного расхода, так и свойства раствора (например, плотность), а на втором величина t определяется только объемным расходом (скоростью) раствора. Дифференциальное включение этих каналов (Ляшенко А.А., Ющенко О.А., Сягаев Н.А., Соколов Г.А., Олейник В.Ю. "Способ измерения расхода потока". Патент на изобретение № 2152593//Бюл.№ 19, 10.07. 2000) позволило снизить погрешность измерения расхода растворов в условиях измерения их свойств на 1-1,25%.
Наряду с указанным направлением развития тепловых расходомеров постоянно совершенствовались структурные методы повышения их динамической точности. Разработаны методы адаптивной динамической коррекции по мгновенному значению выходного сигнала ПИП или темпу его изменения при различных законах возмущений по расходу (Соколов Г.А., Ющенко О.А., Лященко А.А. "Тепловые расходомеры с микропроцессорными адаптивными динамическими корректорами". Труды Международной научно-технической конференции "Совершенствование средств измерения расхода жидкости, газа и пара", СПб, 1996), реализованные на ЭВМ и обеспечившие повышение быстродействия тепловых расходомеров в 10-15 раз.

Совершенствование динамических (меточных) методов измерения включает исследования возможности уменьшения величин измеряемых расходов газов, а также расширения динамического диапазона измерения и создания методики определения градуировочной характеристики расчетным путем. Критерием оценки эффективности решения поставленных задач являлись метрологические показатели лучших зарубежных тепловых расходомеров газов (EL-Flow производства компании Bronkhorst).
Разработан опытный образец парциального меточного теплового расходомера, структурная схема которого представлена на рис.1.
Экспериментальные исследования парциального расходомера показали, что его динамический диапазон увеличился более чем в 7 раз, что обеспечило измерение расхода воздуха в диапазоне 10-300 мл/с с приведенной погрешностью, не превышающей 1,2%. Градуировочные характеристики парциального расходомера при различных Dy диафрагм обводного канала представлены на рис.2.
Количественно оценено влияние нестабильности таких неинформативных величин и факторов, как температура потока, окружающей среды, а также начальных параметров теплового импульса.
Подтверждена перспективность организации двух каналов измерения, генерируемых терморезисторами 4 и 5 (рис.1) и соответственно измерение времени переноса метки между зонами установки этих терморезисторов. При этом минимизируется влияние указанных неинформативных величин. Тепловые расходомеры находят практическое применение для широкого спектра задач специфических измерений расхода.



Рис.1. Структурная схема парциального расходомера: 1 — корпус ПИП; 2 — измерительный (основной) канал; 3 — обводной канал; 4, 5 — измерительные пленочные терморезисторы; 6, 7 — компенсационные пленочные терморезисторы; 8 — пленочный нагреватель; 9 — вставка с набором диафрагм (Dy=3; 5; 6 мм); 10 — измерительно-преобразующий блок; 11 — ПЭВМ с видеотерминалом



Рис.2. Градуировочные характеристики расходомера: 1 — градуировочная характеристика с закрытым обводным каналом; 2, 3, 4 — градуировочные характеристики с Dy =3; 5; 6 мм соответственно

Подготовил Сергей ЗОЛОТОВ