Измерительно-вычислительный комплекс для учета расхода природного газа

Устройство относится к газовой отрасли и может быть использовано в составе систем измерения количества и показателей качества газов для количественного учета объемных расходов природного газа при рабочих и стандартных условиях и массового расхода природного газа. Содержит блок центрального процессора на базе однокристальной микроЭВМ, встроенный аналого-цифровой преобразователь и источник опорного напряжения, входы для подключения токовых датчиков стандарта 4-20 мА, блок прецизионных резисторов, блок часов реального времени, постоянное запоминающее устройство, терминал ввода-вывода данных, блок управления питанием отличается тем, что блок управления питанием дополнительно содержит модуль контроля внешнего напряжения питания и аварийный источник питания, при этом модуль контроля внешнего напряжения питания отслеживает внешние напряжения питания и при аварийном отключении внешнего напряжения питания осуществляет переключение питания устройства от аварийного источника напряжения и передачу в блок центрального процессора сигнала об отключении внешнего напряжения питания, по которому программное обеспечение выполняет процедуру сохранения текущих отчетов в постоянное запоминающее устройство. Позволяет вести учет расхода природного газа на отдельной измерительной линии с защитой от потери информации при аварийном отключении питания.

Устройство относится к газовой отрасли, предприятиям транспорта и хранения продуктов производства газовой отраслей промышленности и может быть использовано в составе систем измерения количества и показателей качества газов для количественного учета объемных расходов природного газа при рабочих и стандартных условиях и массового расхода природного газа.

Известен измерительно-вычислительный комплекс (ИВК) «ОКТОПУС-Л» (RU 96954, опубл. 20.08.2010). Принцип действия данного ИВК основан на измерении и преобразовании входных сигналов, поступающих от первичных преобразователей (датчиков), в цифровой код с последующим расчетом объема, массы и физико-химических параметров нефтепродуктов и газов и предоставления сводных отчетов по их качеству и количеству. Прибор выполнен на базе промышленного компьютера и предназначен для параллельного обслуживания сразу нескольких измерительных линий.

Недостатком данного прибора является то, что при необходимости обработать информацию с небольшого числа датчиков на отдельной измерительной линии, его функциональность оказывается избыточной, а применение становится экономически нецелесообразным.

Наиболее близким к заявленному техническому решению (прототип), является устройство ИВК для автоматизированного учета расхода природного газа на отдельной измерительной линии состоящее из микроконтроллера с загруженным программным обеспечением (ПО), микросхемы часов реального времени, микросхемы флеш-памяти, терминала ввода-вывода данных, блока прецизионных резисторов, разъемов для подключения токовых датчиков стандарта 4-20 мА, блока питания (А.Н. Грачев, Д.С. Кутузов. Измерительно-вычислительный комплекс для автоматизированного учета расхода природного газа. / А.Н. Грачев, Д.С. Кутузов. // Вестник Тверского государственного университета. Серия «Физика», - 2013. - 39. - С. 82-93.).

Данное устройство предназначено для измерения с помощью токовых датчиков стандарта 4-20 мА первичных параметров природного газа: температуры, давления, объемного расхода при рабочих условиях, а также атмосферного давления; расчета по ним объемного расхода при стандартных условиях и массового расхода газа, формирование оперативных, сменных и суточных отчетов по расходам природного газа.

Недостатком данного устройства является то, что в нем не предусмотрена защита от потери информации при аварийном отключении напряжения питания.

Целью данного технического решения является создание ИВК, предназначенного для автоматизированного учета расхода природного газа на отдельной измерительной линии с защитой от потери информации при аварийном отключении питания.

Данная задача решается за счет того, что измерительно-вычислительный комплекс учета расхода природного газа содержит блок центрального процессора на базе однокристальной микроЭВМ, встроенный аналого-цифровой преобразователь и источник опорного напряжения, входы для подключения токовых датчиков стандарта 4-20 мА, блок прецизионных резисторов, блок часов реального времени, постоянное запоминающее устройство, терминал ввода-вывода данных, блок управления питанием. Блок управления питанием дополнительно может содержать модуль контроля внешнего напряжения питания и аварийный источник питания, при этом модуль контроля внешнего напряжения питания отслеживает внешние напряжения питания и при аварийном отключении внешнего напряжения питания осуществляет переключение питания устройства от аварийного источника напряжения и передачу в блок центрального процессора сигнала об отключении внешнего напряжения питания, по которому программное обеспечение выполняет процедуру сохранения текущих отчетов в постоянное запоминающее устройство.

Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков является обеспечение сохранения текущих отчетов по расходам природного газа в постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) ИВК при аварийном отключении напряжения питания, что повышает эффективность контроля расхода природного газа.

Сущность устройства поясняется чертежами, на которых изображено:

На фиг. 1. представлена функциональная схема ИВК реализующего обработку сигналов от токовых датчиков стандарта 4-20 мА на отдельной измерительной линии.

На фиг. 2. представлена электрическая схема модуля контроля внешнего напряжения питания и подключенного к нему аварийного источника питания.

Устройство включает блок центрального процессора (1), встроенный аналого-цифровой преобразователь (АЦП) (2), источник опорного напряжения (3) для АЦП, входы для подключения токовых датчиков стандарта 4-20 мА (4), блок прецизионных резисторов (5), блок часов реального времени (6), постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) (7), терминал ввода-вывода данных (8), блок управления питанием (9), понижающие преобразователи (10), модуль контроля внешнего напряжения питания (11), аварийный источник напряжения (12).

Модуль контроля внешнего напряжения питания (11) включает разъем для подключения внешнего питания (13), самовосстанавливающийся предохранитель (14), стабилитрон (15), резисторы (16,17), конденсатор (18), защитный диод (19), конденсатор (20).

Устройство включает блок центрального процессора (1) на базе однокристальной микроЭВМ (микроконтроллера) с загруженным программным обеспечением (ПО), встроенным аналого-цифровым преобразователем (АЦП) (2) и источником опорного напряжения (3) для АЦП. Модуль контроля внешнего напряжения питания (11) подключается к аварийному источнику питания (12), которым является конденсатор (20).

Работает устройство следующим образом. При включении устройства ПО выполняет инициализацию аппаратной части блока центрального процессора (1), а именно производится: установка тактовой частоты микроконтроллера; настройка базовой системы ввода-вывода; настройка интерфейсов для обмена данными с блоком часов реального времени (6), ПЗУ (7) и терминалом ввода-вывода данных (8); настройка встроенного в микроконтроллер АЦП (2) и источника опорного напряжения (3); настройка встроенного в микроконтроллер компаратора для взаимодействия с блоком управления питанием (9); загрузка параметров настройки ИВК из ПЗУ (7).

В основном рабочем цикле устройства происходит измерение сигналов от датчиков (4), расчет расхода газа, обмен данными с терминалом ввода-вывода данных (8), формирование и сохранение отчетов по расходам природного газа.

Для измерения первичных параметров газа (его температуры, давления и объемного расхода при рабочих условия, а также атмосферного давления) ИВК использует токовые датчики стандарта 4-20 мА. ИВК имеет 8 токовых входов, для подключения токовых датчиков стандарта 4-20 мА, погрешность измерения силы тока не превышает ±6 мкА. Измерение тока от датчиков осуществляется встроенным в микроконтроллер АЦП (2). Ток от датчиков по каждому из каналов АЦП определяется по падению напряжения на соответствующем прецизионном резисторе (5). ПО выполняет опрос каналов АЦП с получением цифровых кодов сигналов от датчиков по каждому каналу и преобразование полученных цифровых кодов в единицы измеряемых физических величин первичных параметров газа.

Вычисление объемного расхода природного газа при стандартных условиях и массового расхода природного газа производится в соответствии с расчетными методами, изложенными в документах ГОСТ 30319-96. Межгосударственный стандарт. «Газ природный. Методы расчета физических свойств» и ГОСТ 8.586-2005. Межгосударственный стандарт.«Измерение расхода и количества жидкостей и газов с помощью стандартных сужающих устройств».

Программа учета расхода природного газа оперирует следующими параметрами.

Измеряемые величины, определяемые по сигналам от датчиков:

- коды, напряжения и токи по каналам АЦП;

- первичные параметры газа:

температура газа, °C;

давление газа, Па;

объемный расход газа при рабочих условиях, м³/ч;

- атмосферное давление, Па. Константы, сохраненные в настройках ИВК:

- шкалы датчиков по каналам АЦП (граничные значения измеряемой датчиком величины X₄ и X₂₀, соответствующие границам токового диапазона 4-20 мА);

- калибровочные поправки каналов АЦП;

- константы температуры, давления и плотности природного газа при стандартных условиях (с.у.): T_с =293,15 К (20°C), P_с=101325 Па (1 атм.), _с=0,668-0,7 кг/м³;

- молярные доли попутных газов: N₂ x_a и CO₂ x_y.

Промежуточные величины, вычисляемые в процессе работы программы:

- коэффициент сжимаемости газа;

- факторы сжимаемости при рабочих и стандартных условиях;

- плотность газа при рабочих условия.

Выходные данные, используемые при формировании отчетов:

- объемный расход при стандартных условиях, м³/ч;

- массовый расход, т/ч;

- средние значения температуры (°C) и давления (Па) газа за период отчета.

ГОСТ 30319.2 устанавливает четыре метода определения коэффициента сжимаемости природного газа, а также устанавливает предпочтительные области применения каждого метода по измеряемым параметрам (давление, температура, плотность природного газа при стандартных условиях и компонентный состав природного газа), однако не запрещает использование любого из методов и в других областях.

Для расчета коэффициента сжимаемости природного газа при определении его расхода в данном ИВК применяется модифицированный метод NX19мод. для природных газов с плотностью _c=0,668-0,70 кг/м³ в интервале температур 250-290 К и давлений до 3 МПа; погрешность расчета коэффициента сжимаемости в этих диапазонах параметров не превышает 0,11%; указанные диапазоны параметров характерны для измерения расхода и количества газа при его распределении потребителям.

Вычисляемые ИВК количественные показатели газа:

- объемный расход (м³/ч) природного газа при стандартных условиях;

- массовый расход газа (т/ч) при рабочих условиях;

- средние значения температуры (°C) и давления (Па) газа за период отчета.

Правильность расчетной программы проверена с помощью тестовых примеров комплекса «РАСХОДОМЕР ИСО», разработанного ООО «СТП» и аттестованного Всероссийским НИИ расходометрии.

ИВК формирует отчеты по расходам газа, имеющих следующую структуру:

- тип отчета: оперативный/сменный/суточный;

- дата и время создания: дд/мм/20гг чч:мм:сс;

- длительность: 1/2/3/4/6/8/12/24 (ч) для оперативных и сменных отчетов, 24 (ч) для суточных;

- количественные показатели природного газа за время отчета:

- объем газа при рабочих условиях, м³;

- объем газа при стандартных условиях, м³;

- масса газа, т;

- средние значения температуры (°C) и давления (Па) газа.

ИВК поддерживает параллельное формирование отчетов трех типов: оперативных, сменных и суточных; с возможностью настройки длительности оперативных и сменных отчетов.

ПО реализует интерфейс обмена данных между блоком центрального процессора (1) подключенным к нему блоком часов реального времени (6) для получения даты и времени создания отчетов.

ПО реализует интерфейс обмена данных между блоком центрального процессора (1) и подключенным к нему ПЗУ (7), выполняет сохранение новых отчетов в ПЗУ в заданное время и обеспечивает доступ к сохраненным отчетам.

ПО реализует интерфейс обмена данных между блоком центрального процессора (1) и подключенным к нему терминалом ввода-вывода данных (8), выполняет опрос клавиатуры терминала, сохранение введенных настроек в ПЗУ (7), отображение показаний прибора на дисплее терминала и поддержку следующих функций:

- просмотр кодов, напряжений и токов по каналам АЦП;

- просмотр показаний датчиков (температуры, давления, расхода газа и атмосферного давления);

- просмотр текущих массовых и объемных расходов газа;

- просмотр сохраненных отчетов (оперативных, сменных и суточных);

- просмотр и установка даты и времени;

- тестирование работы расчетной программы ИВК с помощью встроенного набора контрольных примеров;

- настройка длительности оперативных и сменных отчетов;

- настройка привязки токовых датчиков к конкретным каналам АЦП;

- ручной ввод (с помощью клавиатуры) шкал датчиков: параметров X₄ и X₂₀;

- ручной ввод константы плотности природного газа при стандартных условиях _с;

- ручной ввод молярных долей попутных газов (азота и углерода).

Блок управления питанием (9) с помощью понижающих преобразователей напряжения (10) преобразует входное напряжения питания в стабилизированные напряжения соответствующих номиналов для питания блока центрального процессора (1), токовых датчиков (4), блока часов реального времени (6), ПЗУ (7) и терминала ввода вывода данных (8).

Напряжение внешнего питания поступает с разъема (13) на делитель напряжения из резисторов (16) и (17). Делитель понижает напряжение питания до необходимого уровня и передает его на вход «+» аналогового компаратора в блоке центрального процессора (1), при этом конденсатор (18) сглаживает пульсации напряжения на входе «+» компаратора, предотвращая его ложные срабатывания.

Стабилитрон (15) и предохранитель (14) служат для защиты ИВК от напряжения, превышающего его номинальное напряжение питание.

При питании устройства от внешнего источника напряжения происходит заряд конденсатора (20), при этом предохранитель (14) ограничивает ток протекающий через конденсатор (20). Напряжение с этого конденсатора через понижающий преобразователь в блоке управления питанием (10). Поступает на вход «-» компаратора в качестве опорного.

При аварийном отключении напряжения питания на входе ИВК, когда напряжение на входе «+» компаратора становится меньше, чем на входе «-», происходит срабатывание компаратора в блоке центрального процессора, по которому ПО в блоке центрального процессора запускает процедуру сохранения аварийных оперативного сменного и суточного отчетов в ПЗУ (7).

В это время питание блоков ИВК осуществляется за счет заряда, накопленного на конденсаторе (20), который служит аварийным источником питания (12), при этом диод (19) препятствует разряду конденсатора (20) на предыдущий каскад схемы.

При следующем включении устройства, ПО ИВК сравнивает текущее время с временем формирования каждого аварийного отчета. Если текущее время превышает запланированное время, в которое этот отчет должен был быть сохранен в штатном режиме (например, если отчет должен был сохраниться в 14:00, но отключение прибора произошло 13:30, а следующее включение в 14:30), то этот отчет сохраняется в архив отчетов как неполный, а новый отчет начинает накапливаться «с нуля». В противном случае ИВК восстанавливает этот отчет, продолжает его накопление и сохраняет его в архив отчетов «по расписанию».

Проверка процедуры расчета расхода природного газа с помощью контрольных примеров программного комплекса «РАСХОДОМЕР ИСО», аттестованного ФГУП «Всероссийский научно-исследовательский институт расходометрии» (ФГУП «ВНИИР») показывает, что ее алгоритмы вычисления объемного расхода газа при стандартных условиях, массового расхода газа, факторов сжимаемости газа при рабочих и стандартных условиях и коэффициента сжимаемости газа написаны строго в соответствии с расчетными методами, изложенными в нормативных документах ГОСТ 30319-96 и 8.586-2005.

Проверка измерения сигналов с токовых датчиков по 8-ми каналам АЦП с помощью устройства поверки внешней аппаратуры (УПВА), выдающего эталонный токовый сигнал с точностью до 1 мкА, показывает, что программный алгоритм скользящего усреднения с плавающей точкой в совокупности с линейной калибровкой каналов АЦП по границам токового диапазона 4-20 мА обеспечивает точность кода АЦП ±1 младший разряд, что в данном устройстве соответствует погрешности измерения тока±6 мкА (при допустимой погрешности ±15 мкА).

В результате испытания работы блока управления питанием в режиме максимального потребления тока установлено, что стабильность понижающих преобразователей напряжения не зависит от потребляемого устройством тока.

Тестирование ИВК в режиме выключения напряжения питания при максимальном потреблении тока 200 мА показывает, что конденсатор емкостью 22000 мкФ в блоке управления питанием обеспечивает работу ИВК 1-2 сек. За это время выполняется процедура завершения работы и сохранения аварийных оперативного, сменного и суточного отчетов, а также параметров настройки ИВК в ПЗУ. Процедура выполняется за 0,5 сек., т.е. имеется достаточный запас времени работы ИВК от конденсатора.

Во время тестирования работы ИВК в режиме формирования отчетов в течение 7 суток, сбоев в работе устройства зафиксировано не было.

Измерительно-вычислительный комплекс учета расхода природного газа содержит блок центрального процессора на базе однокристальной микроЭВМ, встроенный аналого-цифровой преобразователь и источник опорного напряжения, входы для подключения токовых датчиков стандарта 4 - 20 мА, блок прецизионных резисторов, блок часов реального времени, постоянное запоминающее устройство, терминал ввода-вывода данных, блок управления питанием, отличающийся тем, что блок управления питанием дополнительно содержит модуль контроля внешнего напряжения питания и аварийный источник питания, при этом модуль контроля внешнего напряжения питания отслеживает внешние напряжения питания и при аварийном отключении внешнего напряжения питания осуществляет переключение питания устройства от аварийного источника напряжения и передачу в блок центрального процессора сигнала об отключении внешнего напряжения питания, по которому программное обеспечение выполняет процедуру сохранения текущих отчетов в постоянное запоминающее устройство.