SE517983C2 - Metod för felsökning på flödesmätare - Google Patents

Description

nun-p 10 l5 20 25 30 35 517 983 2 smàförbrukare. Hos storförbrukare, såsom industrier, ut- gör kontrollkostnaderna ett mindre problem, varför mä- tarna kan kontrolleras med en viss kontinuitet. Icke desto mindre är det en betydande nackdel att de kända me- toderna är tidsödande och omständliga.

Såsom ett exempel kan nämnas att av det svenska gasnätets ungefär 50000 mätare är 43000 små mätare som används i bostäder. Den höga kontrollkostnaden leder till att mätarna inte alls kontrolleras, kontrolleras med alltför långa tidsintervall eller byts ut fastän de fun- gerar väl för att det trots allt är billigare att byta efter ett visst antal år än att kontrollera om de fortfa- rande mäter korrekt.

Följaktligen är det ett önskemål att finna en metod som är betydligt enklare och billigare.

Sammanfattning av uppfinningen Ändamålet med uppfinningen är att åstadkomma en me- tod för att kontrollera mekaniskt baserade flödesmätare vilken metod är enkel och kostnadseffektiv så att det lö- nar sig att kontrollera mätarna tillräckligt ofta för att hålla dem felfria. Ändamålet uppnås genom den i patentkrav 1 definie- rade metoden. Fördelaktiga utföringsformer av uppfin- ningen är definierade i underkraven.

Uppfinningen avser en metod för kontroll av meka- niskt baserade flödesmätare. Med mekaniskt baserad avses här en mätare som har en rörlig mekanik som drivs av det fluidum som strömmar genom mätaren. Därmed inte sagt att hela mätaren är mekanisk utan den kan även innefatta elektriska element.

Enligt uppfinningen avläser och analyserar man flö- desmätarens primära flödessignal. Den primära flödessig- nalen är den direkta, ofiltrerade och obearbetade utsig- nalen från mätarens av flödet drivna mekanik. Signalen används för att driva mätverket direkt eller indirekt.

Den erhålls exempelvis från flödesmätarens roterande ut- gångsaxel, dvs den axel som själva mätverket är ansluten 10 15 20 25 30 35 51 7 98 3 till och drivs av direkt eller indirekt. Analysen visar signalvariationer som beror på felbeteenden, såsom läckage och onormal friktion. Dessa felbeteenden leder till en felaktig mätning av flödet. Flödet innebär ener- giförbrukning i det ovan beskrivna fallet med ett energi- distributionsnät. I andra sammanhang där metoden enligt uppfinningen också är användbar, såsom i en industripro- cess kan flödet representera mängd inblandad komponent eller mängd förbrukat vatten. Felbeteendena ger upphov till en oregelbunden mekanisk rörelse hos mätaren vilken rörelse fortplantar sig till axelns rotation och kan av- läsas som en variation i signalen. Ofta uppträder varia- tionen som en bromsning av axeln under delar av ett varv.

Variationerna är olika beroende på vilken typ av felbeteende som det är frågan om. Representationen av va- riationerna är därför unik för ett visst felbeteende.

Därför ger jämförelsen med en normalrepresentation en god bild av eventuella av ett felbeteende orsakade avvikelser från normalrepresentationen.

Normalregistreringen tas fram genom att man testar flera mätare som man vet är korrekta. Jämförelsen mellan registreringen och normalregistreringen visar direkt om mätaren har någon defekt som påverkar flödesmätningen.

Enligt en i patentkrav 3 definierad, fördelaktig ut- föringsform av metoden enligt uppfinningen åstadkommes en pulsalstring som är kopplad till den geometriskt tillryg- galagda delen av ett varv och som är oberoende av tiden.

Därigenom är tiden användbar som detektor för att regist- rera oregelbundenheter, vilka visar sig som olika långa perioder.

Enligt en fördelaktig utföringsform som definieras i patentkrav 4 skapas en representation som är enkel att tolka och jämföra med normalrepresentationen.

Kort beskrivning av ritningarna Uppfinningen och ytterligare fördelar med den kommer att beskrivas närmare nedan genom utföringsexempel under hänvisning till de åtföljande ritningarna, där: u1nzn 10 15 20 25 30 35 517 983 §Iï= '* 4 fig 1 är en schematisk genomskärningsvy av en bälggasmätare; fig 2 schematiskt visar en experimentuppställning för utförande av experiment i enlighet med metoden enligt uppfinningen; fig 3 åskådliggör ett tidsbegrepp; och fig 4-10 visar med hjälp av uppställningen i fig 2 àstadkomna representationer av testresultat.

Beskrivning av utföringsformer Såsom har beskrivits inledningsvis är metoden enligt uppfinningen särskilt fördelaktig för energidistribu- tionssystem i vilka det energibärande mediumet är en gas eller vätska som distribueras av en distributör via ett ledningsnät ut till enskilda konsumenter. Konsumenterna använder mediumet uteslutande eller till största delen för uppvärmning av en lokal, såsom en industrilokal eller en bostad. Metoden kommer framför allt till sin rätt när den tillämpas på små flödesmätare som används i bostäder eftersom problemen att få lönsamhet i kontrollen av mä- tarnas noggrannhet framför allt finns där och löses väl genom metoden.

I den följande beskrivningen exemplifieras metoden enligt uppfinningen tillämpad på flödesmätare för mätning av gasflöden, varvid mätaren är av bälgtyp. Uppfinningen är givetvis tillämpbar på andra typer av mekaniskt base- rade flödesmätare, såsom turbinmätare och vridkolvsmä- tare.

Bälggasmätaren som skissartat visas i fig 1 innefat- tar ett slutet hölje 10, som bildar en huvudkammare i vilket gasen införs via ett inlopp 11. Mätaren har två mätkammare 12, 13 vilka innehåller varsin bälg 12a, 13a.

Vardera kammaren 12, 13 har två till- och frànloppsrör 14a och 14b respektive 15a och 15b vars mynningar med hjälp av ventiler 16 respektive 17 växelvis ansluts till huvudkammaren och ett utloppsrör 18, som mynnar i ett ut- lopp 19 från mätaren. Ventilerna 16, 17 och bälgarna 12a, 13a är sammankopplade via ett gemensamt länksystem 20. annu» n|»|| 10 15 20 25 30 35 51 7 9 s 3 - ' 5 Gasflödet passerar mätaren via mätkamrarna 12, 13, rören l4a, b; 15a, b; och 18. Gasen fyller mätkamrarna 12, 13 från växelvis den ena och den andra sidan av vardera bäl- gen l2a, 13a, via växelvis mätkamrarnas 12, 13 ena l4a, 15a och andra 14b, 15b rör, varvid bälgarnas 12a, 13a fram- och återgående rörelser driver ventilförflyttningar samt mätarens utgående axel 21, som är monterad i centrum av det roterande länksystemet 20.

En flödesmätare, såsom den i fig 1 visade bälggasmä- taren är framför allt utsatt för två typer av fel som le- der till att mätaren mister sin noggrannhet och mäter fel. En första feltyp är fel som beror på ändrade fysiska egenskaper och en andra feltyp är fel om beror på en in- korrekt funktion. Till den första feltypen hör tryckför- ändringar. Till den andra feltypen hör läckage, geome- triska förändringar och mekaniska fel.

Nedan kommer en föredragen utföringsform av metoden enligt uppfinningen att beskrivas närmare. För att under- lätta förståelsen kommer beskrivningen att göras tillsam- mans med resultat från en experimentell uppställning som användes för att verifiera uppfinningens tillämpbarhet.

Uppställningen, som visas i fig 3, innefattar en bälggas- mätare 30, såsom den i fig 1 schematiskt visade, som är installerad i en gasledning 32. Uppställningen innefattar vidare tre till gasledningen 32 anslutna mätare; därav en temperaturmätare T, en första tryckmätare P1, som sett i gasflödesriktningen är monterad före bälggasmätaren 30, en andra tryckmätare P2, som är monterad efter mätaren 30, och en ventil V, som är monterad före den första tryckmätaren och som används för att simulera läckage.

Det skall påpekas att vid en verklig användning av meto- den behöver man inte installera ventilen V och mätarna T, Pl, P2. En fördel med denna metod är istället just att man inte behöver göra några ingrepp i flödesvägen, vilket kommer att framgå nedan.

I enlighet med denna utföringsform av uppfinningen avläses de primära flödesignalen med hjälp av ett pulsgi- -queen n :zøøn 10 15 20 25 30 35 51 7 9 8 3 :rig s' ' :en 6 varorgan 34, som monteras på mätarens 30 utgående axel.

Axeln roterar ett varv per mekanisk cykel, eller arbets- cykel, hos mätaren 30 och används normalt för att driva själva räkneverket i mätaren 30. Pulsgivarorganet 34 är en så kallad vinkelavkodare 34 som alstrar 100 pulser per rotationsvarv. Upplösningen av den primära flödessigna- len, dvs antalet pulser per rotationsvarv, skall vara så hög att man kan detektera delar av den mekaniska cykeln.

Detta kommer att framgå närmare nedan. Vinkelavkodaren 34 kopplas till en räknare, som registrerar varje puls främre flank, som nedan benämnes startflank, se fig 3.

Vinkelavståndet mellan två pulser är ekvidistant. Med andra ord är vridningsvinkeln mellan två efter varandra följande pulser, dvs mellan deras främre flanker, kon- stant.

Den således av vinkelavkodaren och räknaren alstrade pulssignalen matas till en signalbehandlingsenhet, i den visade experimentuppställningen en dator 36. Med hjälp av datorn 36 bestäms för varje puls en unik period. Perioden är tiden mellan pulsens startflank och föregående puls startflank. Perioder bestäms och lagras av datorn 36 under en i förväg vald tidsperiod eller ett i förväg valt antal varv, som nedan benämnes testförlopp. Därefter ska- pas av perioderna en representation, som i denna ut- föringsform är ett diagram där perioderna avsätts i y-led och den förlöpta tiden från testförloppets början avsätts i x-led. Därigenom erhålls ett diagram av den typ som visas i fig 4, 5, 7, 9 och 10. I dessa figurer visas pe- riodvariationerna som en heldragen linje. Dessutom visas en prickad linje som tryckfallet över mätaren 30, dvs differensen mellan gastrycket vid Pl och gastrycket vid P2. Detta bestäms väsentligen kontinuerligt. Enheten på x-axeln i diagrammen är sekunder (s). Y-axeln har dels enheten sekunder (s) dels enheten Pascal*lO0 (Pa*l0O), eftersom både tid och tryck skall àskådliggöras.

I samtliga visade fall var testförloppet 60 varv långt. En del av detta, nämligen de första lO0 sekun- upaan 10 15 20 25 30 35 51 7 9 8 3 å? šïïí få? 7 derna, visas i diagrammen. Flödet genom gasledningen hölls konstant, vilket är det normala i verkligheten när en gaspanna drivs.

I fig 4 visas resultatet för en ny mätare, som har full noggrannhet. I fig 5 visas resultatet för en mätare som har använts en längre tid och har registrerat ett to- talt flöde av 10 500 m3. Man kan konstatera att rotatio- nen hos den nya mätaren är jämn och att det finns en topp per varv. Notera även att tryckfallet är tämligen kon- stant. I diagrammet för den använda mätaren kan man se samma grundmönster men topparna är högre och kurvan dop- par efter varje hög topp. Notera samtidigt att tryckfal- let varierar med en sinusformig karaktär. Detta visar att rotationen avstannar en gång per varv till följd av ökad friktion i lagringen. Under den tidsrymden byggs trycket upp vilket leder till en extra snabb rotation under en kort tidsperiod efter att friktionen har övervunnits.

Därav kurvans dopp. Kurvan över periodvariationerna be- nämner vi nedan fingeravtryck eftersom den har ett indi- viduellt utseende som varierar i högre eller mindre grad från mätare till mätare. För mätare med likvärdiga egen- skaper, exempelvis nya mätare är de individuella varia- tionerna dock små. Detta skapar möjligheten att fast- ställa olika feltyper utifrån fingeravtryckets utseende.

Om fingeravtrycket i fig 5 transformeras till fre- kvensplanet genom en FFT erhålls spektrumet i fig 6. Det visar en topp vid rotationsfrekvensen och övertoner till denna, såsom kan förväntas av en signal med en stor topp som återkommer periodiskt.

I fig 7 visas ett annat fingeravtryck som är orsakat av vatten i en mätares 30 mätkammare, till exempel 12 eller 13 i fig l. I det visade fallet hade 50 ml vatten införts i den ena kammaren. Detta fingeravtryck uppvisar fyra toppar per varv istället för en enda. Anledningen är att de fyra topparna representerar de fyra faserna i mät- cykeln. Den andra toppen i varje grupp om fyra större toppar representerar grundmönstret, medan den första :unna 10 15 20 25 30 35 517 983 8 toppen beror på den extra kraft som erfordras för att överbrygga trycket från vätskan i mätkammaren. De övriga två topparna härrör från obalanser i den andra kammaren vilka orsakas av defekten i den första kammaren eftersom kamrarna är sammankopplade via ett länksystem (se exem- pelvis fig 1).

I fig 8 visas FFT-diagrammet för fingeravtrycket i fig 7. Det framgår att topparna har ungefär samma effekt till skillnad från topparna i fig 6 som har avtagande ef- fekt med ökande frekvens. FFT-diagrammet ger ytterligare hjälp i bedömningen av felets art, dvs vilken typ av fel- beteende som mätaren uppvisar.

I fig 9 visas fingeravtrycket för samma mätare som i fig 5, men med ett visst, kontrollerat läckage, närmare bestämt ca 6% av flödet. Läckaget simulerades med hjälp av ventilen V. I detta fall uppkommer en extra topp strax före varje friktionstopp, som förekommer även i normalav- trycket. Den extra toppen påvisar ett extra stopp i slu- tet av varje varv. Stoppet kan förklaras av det lägre tillgängliga tryckfallet som beror på att läckaget mins- kar trycket som driver mekanismen. Gasen flyter genom läckaget tills tryckfallet över läckaget är lika med det tryckfall som erfordras för mätarens rörelse som startar igen. Denna topp vid ungefär 60% av en cykel är gemensam för samtliga test med läckage. Det skall påpekas att den inte syns i frekvensdomän eftersom den återkommer med samma frekvens som huvudtoppen. För att återknyta till resonemanget om upplösning ovan kan man konstatera att den behöver vara tämligen hög för att den extra toppen skall detekteras.

I fig 10 visas fingeravtrycket för en mätare som har ökad friktion. Den ökade friktionen àstadkoms i experi- mentuppställningen med hjälp av en bromsmekanism (visas ej) som anordnades på den utgående axeln. Varierande bromskraft påfördes axeln i olika förlopp för att testa hur den påverkar fingeravtrycket. Gasflödet förblev kon- stant, såsom är fallet i praktiken när en gaspanna är an- s 1 7 9 s z 9 sluten och är i drift. I fig 10 visas resultatet med en viss påförd bromskraft. Såsom en fackman på området kan bestämma matematiskt beror gastrycket på friktionen och på nödvändigt vridmoment. Detta avspeglas i tryckkurvan i 5 diagrammet i fig 10. Närmare bestämt leder den ökade friktionen till ett ökat medeltryckfall men tryckvaria- tionerna ändrar sig inte nämnvärt, se fig 9 för jämfö- relse. Det ökade tryckfallet leder också till en ökad vo- lym när bälgen är fylld. Själva fingeravtrycket påverkas 10 enligt följande. De högsta topparnas amplitud ökar och variationerna från varv till varv ökar. I det visade fal- let fungerade fortfarande mätaren men med stort tryck- fall. Ytterligare ökad friktion medför att den slutar fungera pà grund av att tryckfallet blir så stort att 15 gastrycket blir för lågt.

De ovan beskrivna testresultaten härstammar från de experimentella tester som gjordes på ett fåtal väl defi- nierade och med andra metoder testade mätare. Resultaten har dock verifierats genom tester på ytterligare ett 20 stort antal mätare som genom tester i kalibrerad provbänk fastställts ha mätfel mellan - % och -20%. Fingerav- trycken från dessa mätare visade samma mönster som de i figurerna visade fingeravtrycken från mätare med simule- rade fel. 25 Med hjälp av metoden enligt uppfinningen är det följaktligen möjligt att genom en enkel test avslöja fel- beteenden i flödesmätare, särskilt i kategorierna a) vätska i mätarens kammare; b) läckage i mätaren och c) ökad friktion i lagren. Dessa kategorier representerar 30 enligt gjorda undersökningar de allra flesta felkällorna. %”É Varje felbeteende har sitt eget speciella fingeravtryck, _-X eller med andra ord sin egen avvikelserepresentation. Man ¿.h kan med stor säkerhet klassificera ett onormalt fingerav- tryck genom att jämföra det med de olika avvikelserepre- 35 sentationerna.

Enligt den ovan beskrivna utföringsformen av uppfin- ningen avgör man om mätaren har något fel som kan påverka :furu 10 15 517 983 10 mätningens noggrannhet genom att okulärt bedöma fingerav- trycket och jämföra det med ett känt normalavtryck för en mätare med god mätnoggrannhet. Om man konstaterar att fel föreligger jämför man fingeravtrycket med fingeravtryck som avspeglar typiska fel. Detta kräver en viss träning hos den som skall utföra kontrollen av mätaren.

Enligt en annan utföringsform av uppfinningen görs en jämförelse genom signalbehandling med hjälp av en lämplig anordning. Anordningen presenterar resultatet på en display i form av ett textmeddelande eller en avvikel- sekurva.

Det skall nämnas att vinkelavkodaren 34 och datorn 36 med fördel är sammanbyggda till en enhet som är an- slutbar till en mätares 30 utgående axel och som presen- terar fingeravtrycken och andra resultat direkt pà en display.

Claims (5)

10 15 20 25 30 35 s 1 7 9 s 3 - ll PATENTKRAV

1. Metod för att detektera felbeteenden hos en meka- niskt baserad flödesmätare, k ä n n e t e c k n a d av stegen att - avläsa en primär flödessignal hos flödesmätaren flera gånger per mekanisk cykel; - analysera avläsningarna för att finna periodiska, tidsberoende variationer; - skapa en aktuell representation av variationerna; och - jämföra den aktuella representationen med en mot- svarande normalrepresentation som representerar korrekt fungerande mätare av samma typ och detektera eventuella signifikanta skillnader.

2. Metod enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k - n a d av steget att - när signifikanta skillnader föreligger jämföra den aktuella representationen med avvikelserepresentationer som är karaktäristiska för specifika felbeteenden för att bestämma om de signifikanta skillnaderna representerar något specifikt felbeteende.

3. Metod enligt patentkrav 1, eller 2, k ä n n e - t e c k n a d av att steget att avläsa den primära flö- dessignalen innefattar stegen att - med hjälp av ett pulsgivarorgan detektera rotatio- nen hos en utgångsaxel hos flödesmätaren; och - med hjälp av pulsgivarorganet alstra ett flertal pulser per rotationsvarv som utgàngsaxeln roterar, varvid vinkelavståndet mellan tvâ efter varandra följande pulser är ekvidistant; av att steget att analysera avläsningarna innefattar ste- get att detektera varje ny puls och bestämma en period som tiden mellan den nya pulsen och den föregående pul- sen; och av att representationen utgör en representation av perioderna. 10 517 983 " 12

4. Metod enligt patentkrav 3, k ä n n e t e c k - n a d av stegen att - bestämma perioder under ett förlopp som innefattar flera rotationsvarv; och - utforma representationen som ett diagram över pe- rioden mot den totala tid som när perioden uppkommer har förlöpt sedan förloppet påbörjades.

5. Metod enligt patentkrav 4, k ä n n e t e c k - n a d av steget att transformera representationen till frekvensdomän.