ITMI952233A1

ITMI952233A1 - Sistema perfezionato per la misura e la regolazione della portata massica di gas

Info

Publication number: ITMI952233A1
Application number: IT95MI002233A
Authority: IT
Inventors: Lorenzo Bergamini
Original assignee: Nuovo Pignone Spa
Priority date: 1995-10-30
Filing date: 1995-10-30
Publication date: 1997-04-30
Also published as: EP0772027A2; US5927321A; EP0772027A3; ITMI952233A0; IT1275825B1

Abstract

Sistema per la misura e la regolazione della portata massica di un gas a caratteristiche variabili in una tubazione con una valvola di misura e regolazione, in cui un misuratore di portata massica Coriolis, montato su detta tubazione, è collegato all'unità di elaborazione della valvola allo scopo del calcolo di un fattore correttivo della portata calcolata dalla detta valvola, rappresentato dal rapporto tra i valori provenienti dal misuratore di Coriolis e da detta valvola, fattore aggiornato periodicamente quando le condizioni operative non introducono errore nel misuratore di Coriolis. E' pure descritto un sistema con più valvole, per portate differenti ed un unico misuratore di Coriolis.

Description

Descrizione

La presente invenzione concerne un sistema che pur eliminando l'impiego di un costoso ed ingombrante gas-cromatografo, consente una precisa e sicura misura e regolazione di una portata massica di gas con una valvola di misura e regolazione, anche quando le caratteristiche del gas variano. La regolazione di una portata massica di gas quando sia richiesto dal processo un grande rapporto tra la portata massima e la portata minima ed anche una grande variabilità del salto di pressione a cavallo della valvola di regolazione, presenta grandi difficoltà specialmente in presenza di una dinamica di regolazione veloce. I misuratori di portata massica basati sull'effetto Coriolis possono arrivare alla accuratezza, affidabilità ed estensione del campo di misura richieste ma hanno tipicamente una dinamica di misura insufficiente per le applicazioni che presentino condizioni operative variabili dinamicamente. Un'altra soluzione è data dall'impiego di valvole di misura e regolazione (metering valve), che potenzialmente hanno tutte le caratteristiche richieste ma abbisognano di dati fisici del gas che devono essere inevitabilmente forniti da un gas-cromatografo in linea, se la composizione del gas è variabile. Detto gas-cromatografo introduce un notevole fattore di costo nel sistema, richiede l'alimentazione con gas ausiliario e quindi complicazioni costruttive e, data la sua struttura abbassa l’affidabilità e disponibilità dell'insieme.

Ora, uno scopo della presente invenzione è appunto di poter misurare e regolare una portata massica di gas a caratteristiche fisiche variabili con una valvola di misura e regolazione, quale ad esempio quella descritta un un'altra nostra domanda di brevetto, senza bisogno di un gas-cromatografo in linea.

Ciò viene conseguito per il fatto che l'influenza delle caratteristiche fisiche del gas da regolare sulla portata massica è ridotta, in riferimento all'impiego di valvole atte alla misura e regolazione, ad un unico parametro correttivo della portata calcolata della valvola di misura e regolazione, detto parametro essendo ricavabile in modo semplice dal valore rilevato da un misuratore di Coriolis, che in questo modo sostituirebbe il costoso gas-cromatografo.

D'altra parte, l'influenza di detto parametro correttivo sulla accuratezza globale deve essere tale da permettere un suo aggiornamento in modo periodico e non dinamico, praticamente secondo le possibilità ed i limiti di un normale misuratore di Coriolis, per cui la misura a dinamica veloce e la regolazione vengono delegate alla valvola dì misura e regolazione o a più valvole dello stesso tipo poste in parallelo e regolanti frazioni diverse della portata totale. Ulteriore scopo della presente invenzione è la possibilità, grazie alla intrinseca ridondanza di un sistema costituito da più valvole di misura in parallelo e da un misuratore di Coriolis, di affrontare l'evenienza della perdita di una o più informazioni dei sensori utilizzati dalle valvole di misura e regolazione.

Il sistema di regolazione e misura oggetto della presente invenzione è quindi basato sull'impiego di valvole di regolazione e misura dotate di una propria unità di elaborazione che le rende atte alla misura della portata massica (metering valve) con capacità di gestione dinamica della regolazione associata ad un misuratore di portata massica di Coriolis atto a fornire il dato di portata massica con tempi di risposta più lenti di quelli richiesti dal processo.

Detto sistema di regolazione e misura della portata oggetto dell'invenzione è in grado di determinare un fattore correttivo della portata calcolata dalla valvola di misura e regolazione dal confronto di questa con il valore di portata proveniente dal misuratore di Coriolis in condizioni operative quasi stazionarie. In pratica, il sistema prevede che la valvola (o più valvole in parallelo) regoli (regolino) e misuri (misurino) la portata utilizzando dati relativi alle caratteristiche fisiche del gas determinate in precedenza, dati che vengono corretti ed aggiornati ogni qualvolta la dinamica del processo permette al misuratore di Coriolis di fornire una misura valida. Detto fattore correttivo è strutturato in modo tale che la precisione di misura e regolazione non venga degradata dal fatto di operare l'aggiornamento di tale parametro solamente quando le condizioni sono quasi stazionarie.

In definitiva, il sistema per la misura e la regolazione in una tubazione della portata massica di un gas a caratteristiche variabili, comprendente almeno una valvola di misura e regolazione, montata sulla detta tubazione, il cui attuatore è pilotato da una corrispondente unità di elaborazione in base ai valori rispettivamente di pressione a monte ed a valle della valvola ed eventualmente di temperatura del gas, valori forniti dalla detta valvola di misura e regolazione, al valore di portata massica richiesto ed alle caratteristiche del gas, è caratterizzato secondo la presente invenzione dal fatto che le dette caratteristiche del gas sono fornite alla detta unità di elaborazione da un misuratore di Coriolis, posto sulla detta tubazione nel punto a monte o a valle della valvola ove si hanno le minori variazioni di pressione, sotto forma di un unico fattore correttivo della portata calcolata dalla detta valvola, rappresentato dal rapporto tra le misure provenienti dal misuratore di Coriolis e dall'insieme delle valvole di misura e regolazione, fattore che viene aggiornato periodicamente allorché le condizioni operative sono quasi stazionarie.

Poiché, poi, il detto fattore correttivo della portata è prevalentemente funzione delle proprietà fisiche del gas e non dipende quindi sostanzialmente da errori di misura e regolazione della valvola, e ora possibile utilizzare più valvole di misura e regolazione collegate in parallelo tra loro ed in serie con un solo misuratore di Coriolis, per regolare delle portate parziali diverse di un'unica portata di ingresso.

Più specificatamente, una pluralità di valvole di misura e regolazione sono collegate in parallelo tra loro ed in serie con un unico misuratore di Coriolis, su diramazioni della tubazione principale, le unità di elaborazione delle dette valvole essendo collegate ad una unità centrale di elaborazione connessa al detto misuratore di Coriolis per fornire alle singole valvole il fattore correttivo delle portate massiche parziali relativo alle dette valvole.

L'invenzione viene ora meglio chiarita con riferimento ai disegni allegati che illustrano delle forme preferenziali di realizzazioni pratiche date a solo titolo esemplificativo ma non limitativo, in quanto delle varianti tecniche e costruttive potranno essere sempre apportate senza uscire dall'ambito della presente invenzione.

In detti disegni:

la Fig.l mostra schematicamente a blocchi il sistema di misura e regolazione della portata massica di un gas secondo l'invenzione;

la Fig.2 mostra schematicamente a blocchi l'utilizzo di più valvole di misura e regolazione per regolare più portate parziali di una portata totale, pure secondo l'invenzione.

Con riferimento alla Fig.l con 1 viene indicato il sistema dell'invenzione, costituito da una tubazione 2, entro la quale il gas scorre secondo il verso della freccia 3 e sulla quale sono montati rispettivamente la valvola di misura e di regolazione 4 ed un misuratore di Coriolis 5. L'attuatore 6 della valvola 4 è comandato dall'unità di elaborazione 7 alla quale vengono inviati il valore di portata massica richiesto 8, il valore di pressione a monte 9 ed a valle 10 della valvola ed eventualmente il valore 11 della temperatura del gas. L'unità di elaborazione 7 è inoltre collegata con il detto misuratore di Coriolis 5. Il misuratore di Coriolis 5 è posizionato a monte di misura e regolazione 4, quando la pressione a valle della valvola 4 subisce maggiori variazioni di quella di monte, mentre conviene posizionare il misuratore a valle quando sì verifica la situazione opposta.

Sono possibili diverse formulazioni per il calcolo della portata massica, a partire dalle misure ricavabili da una valvola di misura e regolazione 4. Il fattore correttivo della portata, calcolato dalla unità di elaborazione 7, può avere diversi formati a seconda della formulazione usata dalla valvola di misura e regolazione 4. In tutti i casi la portata attraverso una restrizione è proporzionale all'inverso della radice quadrata della costante elastica del gas ed il fattore di correzione, ottenuto come rapporto tra le misure provenienti dal misuratore di Coriolis 5 e dalla valvola di misura e regolazione 4, può essere posto uguale alla radice quadrata del rapporto tra la costante elastica nominale e quella effettiva del gas. Più in generale si può dire che tale fattore di correzione è funzione del prodotto:

ζΗη

ove: z coefficiente di comprimibilità del gas,

R la costante elastica del gas,

η fattore correttivo che tiene conto degli effetti sulla portata delle variazioni dell'esponente

dell<1>isoentropica dal valore nominale, di errori di determinazione del coefficiente di efflusso e di errori introdotti dalle misure effettuate dai sensori di pressione e temperatura.

Questo calcolo viene eseguito periodicamente solo negli intervalli di tempo per i quali si verifica un quasi stazionarietà sia del segnale di comando che della grandezza controllata ossia quando il valore di portata misurata da un misuratore di Coriolis convenzionale presenta il minimo errore di non stazionarietà. La valvola di misura e regolazione utilizza l'ultimo valore valido del prodotto zRq per effettuare la regolazione della portata/ quando la condizione di quasi stazionarietà non è verificata. La condizione di quasi stazionarietà, che consente di utilizzare l'informazione proveniente dal misuratore di Coriolis, può essere determinata utilizzando il segnale di comando ricevuto dalla valvola di misura e regolazione 4. Un primo criterio utilizza la derivata prima del detto segnale: se tale derivata rimane inferiore ad un valore di soglia per un certo periodo di tempo superiore alla costante di tempo del misuratore, la condizione di quasi stazionarietà è verificata e si può operare il calcolo del fattore ZRTI. Oppure quando lo scostamento quadratico medio applicato a campioni del detto segnale di comando in un intervallo di tempo risulta inferiore ad un prefissato valore di soglia.

La misura proveniente dal misuratore di Coriolis 5 può essere in alcune situazioni depurata dall'errore dinamico, aumentando con ciò le possibilità di misura del fattore ζϊΐη.

Come evidenziato dalla figura 2, è possibile applicare il principio ad un sistema di regolazione costituito da più valvole 4', 4", ...4<n >in parallelo tra loro ed in serie con un solo misuratore di Coriolis 5 posto sul condotto principale 2. Le dette valvole 4', 4", ...4<n >sono invece poste su delle diramazioni, rispettivamente 2', 2", ...2<n >, della tubazione 2. Poiché, come già detto, il fattore correttivo della portata (per esempio lo stesso prodotto zRt|) è prevalentemente funzione delle proprietà fisiche del gas e solo in maniera secondaria degli errori derivanti dalle misure nei singoli rami, esso può essere usato da tutte le valvole di misura e regolazione in parallelo. In particolare il prodotto zRq può essere ottenuto, in questo caso, dalla seguente formula:

dove GÌ indica la generica portata massica misurata (o richiesta) in uno dei rami in parallelo mentre Gcoriolis indica il valore' della portata massica totale proveniente dal misuratore di Coriolis ed n è il numero di rami utilizzati.

Le uscite 12', 12",...12<n >delle unità di elaborazione 7', 7",...7<n >delle dette valvole di misura e regolazione 4' , 4",...4<n >, che forniscono i valori di portata massica parziali delle dette valvole, vanno ad una unità centrale di elaborazione 13 che, collegata col detto unico misuratore di Coriolis 5, fornisce in uscita 14 un fattore correttivo di portata massica utilizzato dalle dette unità di elaborazione 7', 7",...7<n >per regolare le portate massiche parziali.

Nel caso in cui la valvola di misura e regolazione 4 non disponesse della misura della temperatura assoluta del gas, dato dalla 11, vi è anche la possibilità di includere nel fattore di correzione della portata tale grandezza (divenendo, per esempio, ζϊΙηΤ). Infatti la portata, in tutte le espressioni di calcolo, risulta inversamente proporzionale alla radice quadrata di tale temperatura. In questo caso la accuratezza della misura e regolazione sarebbe, solo in condizioni stazionarie, pari a quella ottenibile dal sistema che include anche la misura di temperatura, mentre subirebbe un peggioramento in condizioni dinamiche poiché l’influenza del fattore correttivo sul risultato è maggiore.

Claims

Rivendicazioni 1. Sistema per la misura e la regolazione in una tubazione della portata massica di un gas a caratteristiche variabili, comprendente almeno una valvola di misura e regolazione, montata sulla detta tubazione, il cui attuatore è pilotato da una corrispondente unità di elaborazione in base ai valori rispettivamente di pressione a monte ed a valle della valvola ed eventualmente di temperatura del gas, valori forniti dalla detta valvola di misura e regolazione, al valore di portata massica richiesto ed alle caratteristiche del gas, caratterizzato dal fatto che le dette caratteristiche del gas sono fornite alla detta unità di elaborazione da un misuratore di Coriolis, posto sulla detta tubazione nel punto a monte o a valle della valvola ove si hanno le minori variazioni di pressione, sotto forma di un unico fattore correttivo della portata calcolata dalla detta valvola, rappresentato dal rapporto tra le misure provenienti dal misuratore di Coriolis e dall'insieme delle valvole di misura e regolazione, fattore che viene aggiornato periodicamente allorché le condizioni operative sono quasi stazionarie. Sistema secondo la rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che una pluralità di valvole di misura e regolazione sono collegate in parallelo tra loro ed in serie con un unico misuratore di Coriolis, su diramazioni della tubazione principale, le unità dì elaborazione delle dette valvole essendo collegate ad una unità centrale di elaborazione connessa al detto misuratore di Coriolis, per fornire alle singole il fattore correttivo delle portate massiche parziali relativo a dette valvole*