RU2165598C1 - Ultrasonic gas flowmeter-counter - Google Patents
Ultrasonic gas flowmeter-counter Download PDFInfo
- Publication number
- RU2165598C1 RU2165598C1 RU99121369/28A RU99121369A RU2165598C1 RU 2165598 C1 RU2165598 C1 RU 2165598C1 RU 99121369/28 A RU99121369/28 A RU 99121369/28A RU 99121369 A RU99121369 A RU 99121369A RU 2165598 C1 RU2165598 C1 RU 2165598C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- output
- input
- gas
- counter
- switch
- Prior art date
Links
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
- G01F15/00—Details of, or accessories for, apparatus of groups G01F1/00 - G01F13/00 insofar as such details or appliances are not adapted to particular types of such apparatus
- G01F15/02—Compensating or correcting for variations in pressure, density or temperature
- G01F15/04—Compensating or correcting for variations in pressure, density or temperature of gases to be measured
- G01F15/043—Compensating or correcting for variations in pressure, density or temperature of gases to be measured using electrical means
- G01F15/046—Compensating or correcting for variations in pressure, density or temperature of gases to be measured using electrical means involving digital counting
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
- G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
- G01F1/66—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by measuring frequency, phase shift or propagation time of electromagnetic or other waves, e.g. using ultrasonic flowmeters
- G01F1/667—Arrangements of transducers for ultrasonic flowmeters; Circuits for operating ultrasonic flowmeters
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Fluid Mechanics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Measuring Volume Flow (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
- Recrystallisation Techniques (AREA)
Abstract
Description
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. The invention relates to techniques for measuring gas flow, in particular to household ultrasonic meters for measuring gas flow, bringing the measurement results to normal conditions in temperature, pressure and gas density, and can find application in housing and communal services, in gas industries for accurate metering gas flow rate.
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. A device is known - an ultrasonic flow meter, in which to measure the mass flow rate an additional piezoelectric element is used, excited at a resonant frequency, which emits acoustic vibrations into the measured substance, for example gas [1]. The voltage removed from the piezoelectric element is proportional to the specific acoustic resistance, which, in turn, is proportional to the density of the substance. By multiplying the electric signal generated by this piezoelectric element by the volumetric flow rate, which is obtained by measuring the propagation time of the acoustic signal between two other piezoelectric elements along the flow of the measured medium and against the flow, the product of volume and density are determined, which gives the mass flow rate. To obtain a gas flow rate reduced to normal conditions, it is necessary to attribute the measured value of the mass flow rate to the gas density under normal conditions.
Недостатком этого устройства является невысокая точность измерения массового расхода, которая ограничивается ультразвуковым амплитудным способом измерения плотности. The disadvantage of this device is the low accuracy of the measurement of mass flow, which is limited by the ultrasonic amplitude method of measuring density.
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]. The closest in technical essence is a household ultrasonic flow meter - a counter for measuring the volumetric flow of gas, reduced by pressure and temperature to normal conditions, containing a measuring section of the pipeline with a pressure sensor and with two built-in ultrasonic transducers, respectively connected to the first and second input of the analog switch, the third input of which is connected with the output of the reference generator through a timer, the fourth input is with the second output of the timer through the shaper of probing imp Ls, and the output of the switch is connected to the first input of the arithmetic device through a series-connected receiving amplifier, a comparator, a trigger, a second input connected to the second output of the timer, a pulse counter, a counting input connected to the output of the reference generator, and the output to the addition circuit, and the subtraction circuit and the output of the pressure sensor is connected to the second input of the arithmetic device [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. However, the known device has the disadvantage that it can be used to measure the flow reduced to values at a reference temperature for only one specific gas composition. When switching, for example, from measuring natural gas to measuring liquefied gas vapors, it is necessary to introduce correction factors or conversion factors. The known device also has the disadvantage that it actually leads the measured gas volume to normal conditions only in temperature and pressure and does not bring the measured gas volume to normal conditions in standard density. Therefore, due to the fact that the known device does not allow the measurement of different gases and does not allow to bring the measurement results of different gases to the same or normal conditions in temperature, pressure and density, there is a problem of checking the devices according to the known technical solution with standard verification means in which air is used as a working medium. It is because of the lack of communication between the gases through normal conditions that the well-known closest prototype does not allow the calibration and certification of meters in the process of mass production, since, according to generally accepted safety standards, it is forbidden to use explosive gases, in particular methane, for calibration and certification of meters in the process of their mass release and for periodic verification in the process of their operation.
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. The aim of the proposed invention is to improve the accuracy when measuring various gas environments and bring the measured volume to a standard gas density, as well as to obtain the possibility of calibration, certification and verification of meters in the process of mass production and to ensure the connection of the results of verification for different gases with each other.
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. This goal is achieved by the fact that sequentially connected N-parallel-connected memory units and a second switch, as well as a series-connected unit for determining the type of gas medium, a standard density code block, a code divider and a summing-recording device are introduced in a household ultrasonic flowmeter-counter, and the output the addition circuit is connected to the inputs of each of the N memory blocks and to the input of the gas medium type determination unit, the output of which is connected to the control input of the second switch connected with the third input of the arithmetic device, the code output of which is connected to the second input of the code divider.
На чертеже представлена блок-схема предлагаемого устройства. The drawing shows a block diagram of the proposed device.
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. A household ultrasonic flowmeter-counter for measuring the volumetric gas flow reduced by pressure and temperature to normal conditions contains a measuring section 1 of the pipeline with a pressure sensor 2 and with two built-in ultrasonic transducers 3 and 4, respectively connected to the first and second input of the analog switch 5, the third input of which is connected with the output of the reference oscillator 6 through timer 7, the fourth input is connected with the second output of timer 7 through the shaper 8 of the probe pulses, and the output of the switch 5 is connected to the input of the arithmetic device 9 through a series-connected receiving amplifier 10, a comparator 11, a trigger 12, a second input connected to the second output of the timer 7, a pulse counter 13, a counting input connected to the output of the reference generator 6, and the output to the addition circuit 14, and the circuit 14 subtraction, and the output of the pressure sensor 2 is connected to the second input of the arithmetic device 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. The ultrasonic flow meter - gas meter - also contains a series connection of N-parallel-connected memory blocks 16.1 16.2, ... 16.N and a second switch 17, as well as a series-connected gas medium type determination unit 18, standard density code block 19 , a code divider 20 and an adder-recorder 21, the output of the addition circuit 14 being connected to the inputs of each of the N blocks 16.1, 16.2, ... 16.N of the memory and to the input of the gas medium type determination unit 18, the output of which is connected to the control input the second switch 17 connected to the output th to the third input of the arithmetic unit 9, Coded output of which is connected to the second input of the divider 20 codes.
Ультразвуковой расходомер - счетчик газа - работает следующим образом. Ultrasonic flow meter - gas meter - works as follows.
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 tп 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.The measurement of the flow rate and gas flow rate is based on the emission of ultrasonic signals into the flow of the controlled gas, their propagation through and against the gas flow, subsequent reception, reverse conversion into an electrical signal with further processing. To do this, the probe pulse generator 8 from the trigger pulses of the timer 7 generates pulses with a fixed amplitude and a given duration equal to half the duration of the resonance frequency period of one of two identical ultrasonic transducers 3 or 4. This is necessary to obtain the maximum transmission coefficient of the ultrasonic signal through the gas of the measuring section 1 gas pipeline with converters 3 and 4. The duration and repetition period of the generated pulses is stabilized by triggering pulses timer 7, the operation of which, in turn, synchronized oscillations highly stable reference oscillator 6. The pulse repetition period t n probing shaper 8 is selected sufficiently large and equal to several tens of milliseconds, it is necessary to restart the next cycle of operation of the device after the complete attenuation of ultrasonic reverberation noise, each time arising in the measured section 1 of the gas pipeline between the transducers 3 and 4 after the next radiation into the controlled gas of the ultrasonic probe pulse.
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.In the first, for example, odd, measurement cycle, the generation, emission, reception and processing of an ultrasonic signal during its propagation through the gas stream are carried out. In this case, the timer 7, synchronized by the highly stable reference oscillator 6, generates at its first output a control signal of the analog switch 5, which is switched so that the output of the probe pulse generator 8 is connected to the ultrasonic transducer 3, and the transducer 4 is connected to the input of the receiving amplifier 10. After a period of time exceeding the duration of the transient processes, after switching the analog switch 5, the timer 7 generates a pulse at its second output, setting yuschy trigger 12 in a condition which is denoted as "1". The same pulse is fed to the input of the shaper 8 of the probe pulses 7 and puts it in the active state of pulse formation, which from the output of the shaper 8 passes through the switch 5 to the ultrasonic transducer 3. The acoustic signal excited by the transducer 3 propagates in the measured section 1 of the pipeline through the gas flow and is received by an ultrasonic transducer 4, in which it is converted into an electrical signal supplied through a switch 5 to a receiving amplifier 10. The amplified signal from the output Nogo amplifier 10 is input to the comparator 11, which when exceeding a threshold level produces a signal at its output pulse exceeding the threshold. For a period of t 1 equal to the time delay from the beginning of the probe pulse to the pulse when the threshold is exceeded, trigger 12 is in the "1" state, allowing the operation of the pulse counter 13, the counting input of which receives pulses from the highly stable reference oscillator 6. By the threshold exceeding pulse, coming from the comparator 11 to the trigger 12, the latter is set to "0", which stops the counter 13 pulses. The output code of the counter 13 pulses corresponding to the measured time delay t 1 equal to the propagation time of the ultrasonic signal through the gas stream, is fed to the inputs of the subtraction circuit 15 and the addition circuit 14.
Через промежуток времени tn, 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.After a period of time t n equal to the repetition period of the probe pulses, a second, for example, even cycle of measurements is generated, during which the generation, emission, reception and processing of the ultrasonic signal is carried out when it propagates against the gas stream. In this case, the timer 7 switches the analog switch 5 so that the output of the probe pulse generator 8 is connected to the ultrasonic transducer 4, and the transducer 3 is connected to the input of the receiving amplifier 10. In a similar sequence of operation for an odd measurement cycle, the timer 7 generates a pulse at its second output , setting the trigger 12 in the state "1", in which the counter 13 pulses is transferred to the counting mode. The same pulse transfers the probe pulse shaper 8 to the active state of pulse formation, which then comes from the shaper 8 through the switch 5 to the ultrasonic transducer 4. The acoustic signal excited by the transducer 4 propagates against the gas flow and is received by the ultrasonic transducer 3, in which it is converted into an electric signal coming through the switch 5 to the receiving amplifier 10. The amplified signal from the output of the receiving amplifier 10 is fed to the compara torus 11, which, when the signal exceeds the threshold level, generates a pulse at its output, which sets the trigger 12 to state "0" and thereby the operation of the pulse counter 13 is stopped. The output code of the counter 13 pulses corresponding to the measured delay t 2 from the beginning of the probe pulse to the moment of crossing the threshold level and is actually proportional to the propagation time of the ultrasonic signal against the gas flow, is fed to the subtraction circuit 15 and the addition circuit 14, with the help of which the values of the delay difference are calculated accordingly (t 2 -t 1 ) and the sum of the delays (t 2 -t 1 ). The output code corresponding to the difference (t 2 -t 1 ) from the output of the subtraction circuit 15 is fed to the first input of the arithmetic device 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.The output code corresponding to the sum (t 2 -t 1 ) from the output of the addition circuit 14 is sent to N memory units 16.1, 16.2, ... 16.N in parallel and to the input of the gas medium type determination unit 18. The work of blocks 16.1, 16.2, ... 16. N, block 18 as well as all further work of the device is carried out according to a certain algorithm, the functioning of which follows from the analysis of the equations of the ultrasonic flow meter - gas meter.
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.The volumetric flow rate Q of gas per unit time at operating temperature and pressure P is equal to:
Q = Sv, (1)
where S is the cross-sectional area of the measured section 1 of the pipeline;
v is the gas flow rate.
Исходя из массы газа, проходящего через мерный участок 1 трубопровода в единицу времени, определим объемный расход Q0 газа, приведенный к значению стандартной плотности газа ρo при опорных температуре и давлении:
где ρ - плотность газа в рабочих условиях;
Q - объемный расход газа в рабочих условиях в соответствии с выражением (1).Based on the mass of gas passing through the measuring section 1 of the pipeline per unit time, we determine the volumetric flow rate Q 0 of gas reduced to the standard gas density ρ o at reference temperature and pressure:
where ρ is the gas density under operating conditions;
Q is the volumetric gas flow rate under operating conditions in accordance with expression (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.The propagation times t 1 and t 2 of ultrasound along the gas flow and against it can be represented as:
where L is the acoustic base or the length of the measured section of the pipeline;
C is the ultrasound velocity in the gas.
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.In this case, expression (1) for the volumetric gas flow taking into account equations (3) is represented in the form:
where S is the cross-sectional area of the pipeline;
v is the average gas flow rate over the cross section of the pipeline.
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].For a household ultrasonic flow meter, the diameter of the pipeline section is selected so that the gas flow can be considered uniform and incompressible along the entire length of the measured section of the pipeline. This condition is satisfied if v 2 << C 2 [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.It is easy to verify that for a normal household pipeline with a diameter of 20 mm with a maximum gas flow rate of 10 m 3 / h, the ratio v 2 / C 2 ≈ 4 · 10 -4 . Therefore, expression (4) with a fairly high degree of accuracy can be calculated in the form:
where A is the geometric parameter of the measured section 1 of the pipeline.
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 ρo, 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.The speed of ultrasound in a gas for frequencies below 10 6 Hz can be expressed by the formula:
where χ is the adiabatic index of the gaseous medium
Then, taking into account expressions (2), (5) and (6), the gas volumetric flow rate reduced to a value at reference temperatures, pressure and standard gas density ρ o is determined by the formula:
The resulting expression (7) is the exact initial equation of the proposed household ultrasonic flow meter - gas meter. In accordance with this equation, the flowmeter-counter operation algorithm is implemented. According to equation (7), the arithmetic device 9 performs the operation of multiplying code signals proportional to the difference in time intervals (t 2 -t 1 ), which are supplied to its first input from the output of the subtraction circuit 15, with a code signal proportional to the pressure P, which is supplied to the second the input of the arithmetic device 9 from the output of the pressure sensor 2. The result obtained is multiplied by a constant factor A and by the value of the adiabatic exponent χ, which is selected for each type of gas by means of the second switch 17 and adjusted using memory blocks 16.1, 16.2, ... 16.N by the total code value of time (t 2 + t 1 ) the propagation of ultrasound in a gas supplied from the output of the addition circuit 14 to the inputs of the memory blocks 16.1, 16.2, ... 16.N. Block 18 determining the type of gas medium also works by the code of the total value (t 1 + t 2 ) and generates at its outputs one of N signal levels proportional to the type of gas medium.
Такое решение основано на том, что возможные значения скорости ультразвука в природном газе для известных различных месторождений [4] при 0oC находятся в пределах (414-431) м/с. Скорость ультразвука в воздухе при 0oC находится в пределах (328-335) м/с. В парах сжиженного газа с различной концентрацией пропана и бутана в смеси при 0oC скорость ультразвука находится в пределах значений (207-226) м/с. Исходя из этого, можно определить, что в температурном диапазоне от минус 50 до +50oC 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].This solution is based on the fact that the possible values of the ultrasound velocity in natural gas for various known fields [4] at 0 o C are in the range (414-431) m / s. The speed of ultrasound in air at 0 o C is in the range (328-335) m / s. In vapors of a liquefied gas with different concentrations of propane and butane in a mixture at 0 ° C, the ultrasound speed is in the range of (207-226) m / s. Based on this, it can be determined that in the temperature range from minus 50 to +50 o C the areas of possible ultrasound speeds in natural gas, air and in vapor of liquefied gas do not overlap. It is possible to measure the flow of other gases, as each of them has its own value of the speed of ultrasound [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.Depending on the level of the signal supplied to the input of the second switch 17 from the output of the gas medium type determination unit 18, the second switch 17 selects the adiabatic index χ from the code signals of one of the N parallel memory blocks 16.1, 16.2, ... 16.N, each of which, at its output, generates a code proportional to the adiabatic index, depending on the total time (t 1 + t 2 ) of ultrasound propagation in the gas. This ensures high accuracy of specifying the adiabatic exponent as a function of temperature gas.
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. In addition, each of the N parallel connected blocks 16.1, 16.2, ..., 16. The memory N contains in memory not exactly its own adiabatic exponent χ inherent in a given gas for a given ultrasound speed, but some previously refined adiabatic exponent χ multiplied by a correction factor k associated with a change in the gas flow profile through the measuring section 1 of the pipeline, t. e. value of kχ. This is due to the fact that each gas has its own kinematic viscosity, therefore, with a change in the type of gas, a change in the flow profile occurs, leading to different flow readings for different gases. Therefore, the correction coefficient k allows us to ensure the relationship of the measurement results for different gases with each other.
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.According to the level of the signal coming from the output of block 18, the standard density code block 19 generates at its output a parallel standard density code signal corresponding to one or another gas. For example, when measuring methane consumption by the total time (t 1 + t 2 ) of ultrasound propagation in methane, the gas medium type determination unit 18 generates at its output such a signal level that the code unit 19 generates, in turn, a binary parallel code corresponding to the standard the density of methane 0.72 g / cm 3 .
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:
Qm = 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.Therefore, taking into account the correction coefficient k for changing the gas flow profile and the variable adiabatic index χ as a function of the total time (t 1 + t 2 ), the expression describing the operation of the arithmetic device 9 is represented by the formation at the output of the device 9 of a code signal proportional to the gas mass flow rate :
Q m = A · k · χ · P · (t 2 - t 1 ). (8)
From the output of the arithmetic device 9, the code of the mass flow rate of gas is supplied to a code divider 20, in which it is divided into a code signal of standard density of the measured gas coming from block 19 of the standard density code. Based on equation (8) and the function of the divider 20 codes, the output code signal of the divider 20 codes is proportional to the volumetric gas flow reduced to normal conditions in terms of pressure, temperature and standard density:
Equation (9) implemented by the device is similar to the original equation (7) and allows one to obtain high accuracy of measuring the gas volumetric flow rate reduced to normal conditions.
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. The output code signal from the output of the code divider 20 is supplied to a summing-registering device 21, in which information is accumulated on the total volume of gas passing through the measuring section 1 of the pipeline.
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. Therefore, in the proposed technical solution, the accuracy increases when measuring various gaseous media, and all the measured gases are reduced by volumetric flow rate to normal conditions in temperature, pressure and to the standard density characteristic of each gas under normal conditions. This allows you to connect the results of measurements of the volumetric flow rate of different gases with each other and bring these results to the same or normal conditions in temperature, pressure and density. As a result, it is possible to calibrate, certify and verify the meters during their mass production in air and distribute these results are measurements of the volumetric flow rates of other gases, which meets generally accepted standards. In principle, the operation of the proposed device incorporated, as shown above, algorithms that provide a connection between the results of measurements and calibrations for different gases among themselves.
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. Despite the some complexity of the proposed technical solution, all functional units and blocks of the ultrasonic flow meter - gas meter - are based on a microprocessor device, which allows it to be more reliable with high measurement accuracy.
Claims (1)
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU99121369/28A RU2165598C1 (en) | 1999-10-07 | 1999-10-07 | Ultrasonic gas flowmeter-counter |
| PCT/RU2001/000122 WO2002077576A1 (en) | 1999-10-07 | 2001-03-26 | Ultrasonic flowmeter counter for measuring gas flow |
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU99121369/28A RU2165598C1 (en) | 1999-10-07 | 1999-10-07 | Ultrasonic gas flowmeter-counter |
| PCT/RU2001/000122 WO2002077576A1 (en) | 1999-10-07 | 2001-03-26 | Ultrasonic flowmeter counter for measuring gas flow |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2165598C1 true RU2165598C1 (en) | 2001-04-20 |
Family
ID=26653597
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU99121369/28A RU2165598C1 (en) | 1999-10-07 | 1999-10-07 | Ultrasonic gas flowmeter-counter |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2165598C1 (en) |
| WO (1) | WO2002077576A1 (en) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2002077576A1 (en) * | 1999-10-07 | 2002-10-03 | Otkrytoe Aktsionernoe Obschestvo 'stroitransgaz' | Ultrasonic flowmeter counter for measuring gas flow |
| RU2449248C2 (en) * | 2005-08-22 | 2012-04-27 | Дэниел Мэжэмэнт энд Кэнтроул, Инк. | Ultrasonic flowmeter (versions) and method of measuring flow parameters of fluid medium |
| RU2545358C2 (en) * | 2010-03-18 | 2015-03-27 | ЗИК Энджиниринг ГмбХ | Ultrasonic measuring device and fluid medium flow rate measuring method |
| RU2589343C2 (en) * | 2014-09-25 | 2016-07-10 | Геннадий Геннадьевич Иванов | Counter for operation cycles of gas-consuming equipment |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103557897B (en) * | 2013-11-20 | 2016-02-24 | 中环天仪股份有限公司 | A kind of signal transmission circuit being applicable to liquid ultrasonic low |
Family Cites Families (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1157018A1 (en) * | 1984-02-22 | 1985-05-23 | Казахский Государственный Научно-Исследовательский И Проектный Институт Нефтяной Промышленности | Flow meter of gas- water-saturated petroleum |
| JPS63131027A (en) * | 1986-11-19 | 1988-06-03 | Tokyo Keiki Co Ltd | Ultrasonic gas flowmeter |
| WO1995018958A1 (en) * | 1994-01-10 | 1995-07-13 | Siemens Aktiengesellschaft | Process for finding the volume flow rate of a gas in a measuring tube |
| RU2165598C1 (en) * | 1999-10-07 | 2001-04-20 | Открытое акционерное общество "Стройтрансгаз" | Ultrasonic gas flowmeter-counter |
-
1999
- 1999-10-07 RU RU99121369/28A patent/RU2165598C1/en not_active IP Right Cessation
-
2001
- 2001-03-26 WO PCT/RU2001/000122 patent/WO2002077576A1/en active Application Filing
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2002077576A1 (en) * | 1999-10-07 | 2002-10-03 | Otkrytoe Aktsionernoe Obschestvo 'stroitransgaz' | Ultrasonic flowmeter counter for measuring gas flow |
| RU2449248C2 (en) * | 2005-08-22 | 2012-04-27 | Дэниел Мэжэмэнт энд Кэнтроул, Инк. | Ultrasonic flowmeter (versions) and method of measuring flow parameters of fluid medium |
| RU2545358C2 (en) * | 2010-03-18 | 2015-03-27 | ЗИК Энджиниринг ГмбХ | Ultrasonic measuring device and fluid medium flow rate measuring method |
| RU2589343C2 (en) * | 2014-09-25 | 2016-07-10 | Геннадий Геннадьевич Иванов | Counter for operation cycles of gas-consuming equipment |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2002077576A1 (en) | 2002-10-03 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US5214966A (en) | Method and apparatus for measuring mass flow | |
| US4527433A (en) | Method and apparatus for measuring fluid flow | |
| CA2233974A1 (en) | Digital speed determination in ultrasonic flow measurements | |
| JP4904289B2 (en) | Ultrasonic flow sensor using modulo 2pi residue tracking | |
| RU2165598C1 (en) | Ultrasonic gas flowmeter-counter | |
| JP3651124B2 (en) | Ultrasonic measuring device and flow measuring device including the same | |
| CA2618595C (en) | Low power ultrasonic flow measurement | |
| EP1542003B1 (en) | Gas concentration measurement instrument and gas concentration measurement method | |
| DK166047B (en) | FLOW VOLUME MEASURES FOR LIQUID MEDIA | |
| RU19155U1 (en) | ULTRASONIC GAS FLOW METER METER | |
| UA53652C2 (en) | Ultrasonic fas flow rate meter | |
| Lee et al. | Two-frequency ultrasonic system with direct digital frequency synthesizers and vernier caliper phase meter for measuring air temperature | |
| RU177147U1 (en) | ULTRASONIC FLOW METER | |
| RU2178148C2 (en) | Domestic ultrasonic flowmeter-gas meter | |
| RU94025670A (en) | Method of testing of composition of gas mixture and liquid media | |
| SU932240A1 (en) | Ultrasonic flow meter | |
| SU792135A1 (en) | Digital ultrasonic liquid density meter | |
| RU1772719C (en) | Device for measuring free gas content in a gas medium | |
| SU1582111A2 (en) | Apparatus for determining speed of ultrasound | |
| SU964543A1 (en) | Ultrasonic meter of gaseous media flow rate | |
| SU1319823A1 (en) | Apparatus for determining own parameters of resonant bodies | |
| SU901892A1 (en) | Ultrasound speed meter | |
| SU711383A1 (en) | Ultrasonic meter of gas media temperature | |
| SU885808A1 (en) | Pulse ultrasonic flowmeter | |
| JPS6042385Y2 (en) | Gate signal generation circuit for ultrasonic measurement equipment |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20021008 |