Ультразвуковые датчики. типы и работа. применение

1 анализ
ультразвуковых расходомеров

Кластерная насосная станция в качестве автоматического объекта

Кустовые насосные станции (КНС) предназначены для закачки очищенной воды
в продуктивные пласты. Число КНС, их расположение на местности (месторождении),
а также мощность устанавливаемых в них агрегатов определяют на основе проекта
разработки месторождения и технико-экономических расчетов.

Во избежание больших
гидравлических потерь в водоводах при закачке воды в пласт, а также уменьшения
возможности попадания в призабойную зону пласта взвешенных механических
примесей в виде продуктов коррозии КНС размещают вблизи нагнетательных скважин.

В связи с увеличением давления закачки возникла необходимость в
реконструкции большинства КНС и переносе их за контур нефтеносности. Все это
потребовало новых технических решений и, в частности, создания блочных кустовых
насосных станций (БКНС). В зависимости от числа установленных агрегатов БКНС
могут обеспечить подачу воды 3600, 7200, 10800 м3 в cутки.

В состав БКНС (рисунок 1.1) входят следующие технологические объекты:
насосная, состоящая из насосных и аппаратурных блоков; камера переключается из
одного или двух блоков напорного коллектора (гребенки); распределительное
устройство РУ-6.

Принцип действия БКНС следующий. Из магистрального водовода 1 вода
поступает в приемный коллектор 2, откуда попадает в центробежные насосы 4,
приводимые в движение электродвигателями 5. Пройдя насосы и дистанционно
управляемые задвижки 3, вода попадает в высоконапорный коллектор-распределитель
7, где давление доходит до 9,5-19 МПа. Из этого коллектора через задвижки 8 и 9
и расходомеры 6 вода направляется в нагнетательные скважины.

Схема кустовой насосной станции, рис. 1.1

– магистральный водовод; 2 – приемный коллектор; 3 – дистанционно
управляемые задвижки; 4 – центробежные насосы; 5 – электродвигатель; 6 –
расходомеры; 7 – высоконапорный коллектор-распределитель; 8, 9 – задвижки, 10 –
байпас

Для учета расхода жидкости закачиваемого в пласт в данной схеме
используются ультразвуковые расходомеры, в частности УРСВ-010М. На рисунке 1.2 приведена
функциональная схема автоматизации КНС.

1.2 Ультразвуковые
расходомеры. Принцип действия

На газохранилище в округе Южная Калифорния недалеко от Лос-Анджелеса была обнаружена утечка природного газа. Каждые два месяца происходит утечка метана о

Классификация ультразвуковых расходомеров, представленная на рисунке 1.3

Ультразвуковые колебания (частота выше 20 кГц), нашедшие широкое
применение в различных отраслях техники, в том числе и измерительной, могут
быть применены и для целей измерений расхода жидкостей и газов вне зависимости
от электрических свойств измеряемой среды /3/.

Ультразвуковой метод измерения расхода основан на явлении смещения
звукового колебания движущейся средой. Поэтому, когда колебания
распространяются по направлению скорости потока, то они тем быстрее достигают
заданной (приемной) точки, чем больше скорость υ или расход потока.

Время t1 прохождения звуковым колебанием
расстояния между излучателем и приемником

t1=

где L – расстояние между излучателем и
приемником, м;

Скорость звука в этой установке, в м/с

— скорость потока, м/с.

При распространении колебаний против скорости потока имеет место обратное
явление замедление распространения, также пропорциональное скорости потока. В
этом случае время t2
прохождения звуковым колебанием расстояния против скорости потока определяется
по формуле

t₂=
Так
как величина отношения
t₁=₂=

Однако основывать ультразвуковые расходомеры только на измерении t1 и t2 было бы
нерационально из-за погрешностей, связанных, с одной стороны, с возможными
колебаниями скорости звука с (из-за изменения плотности потока), а главное с
тем, что влияние скорости потока υ на времена t1 или t2 весьма
мало по сравнению с влиянием скорости с.

Положение резко улучшится, если построить прибор, который реагировал бы
на разность времени t1 и t2

Из (1.3) и (1.4) получим

Dt =t2 – t1=

Здесь чувствительность метода измерения будет нормальной и сохранится
лишь незначительная погрешность, связанная с колебаниями величины с, причем во
многих случаях есть средства для устранения и этой погрешности.

Чтобы определить скорость, есть несколько способов определения разницы во времени DT:

– метод измерения разности фазовых сдвигов двух ультразвуковых колебаний,
направляемых по потоку и против него;

метод измерения разности частот повторения коротких импульсов или пакетов
ультразвуковых колебаний, направляемых одновременно по потоку и против него;

метод измерения разности времени прохождения коротких импульсов,
направляемых одновременно по потоку и против него.

Кроме того, имеется еще четвертый метод определения скорости потока υ, который основан не на выявлении разности времен Dt, а на смещении потоком
ультразвукового колебания, направляемого перпендикулярно оси трубы.

Устройство преобразователя и измерительной схемы ультразвукового
расходомера, равно как и характер его работы, сильно зависят от того,
производится ли излучение ультразвуковых колебаний по потоку и против него по
одному или по двум разным электроакустическим каналам. В связи с этим
ультразвуковые расходомеры разделяются на:

Однолучевые или одноканальные;

Двухлучевые или двухканальные.

В первом случае преобразователи несколько проще, но измерительные схемы,
как правило, сложнее, так как возникает необходимость в запоминающем устройстве
и в переключении пьезоэлементов с излучения на прием. Кроме того, возникают
трудности в фазометрических измерительных схемах в связи многозначностью шкалы
фазометров.

С другой стороны, в двухлучевых приборах будут возникать
погрешности, если в обоих электроакустических каналах будут наблюдаться неодинаковые
температуры или различный состав среды. Фазовые расходомеры бывают как
однолучевые, так и двухлучевые; частотные и импульсные расходомеры, как
правило, изготовляются двухлучевыми.

Преимущества ультразвуковых расходомеров:

возможность измерения расхода любых жидкостей (не содержащих газовых
включений), в том числе агрессивных и вязких, в любых трубах, имеющих диаметр,
начиная от 10 до 20 мм и выше, при скоростях 0,02 м/с и выше;

Как может измеряться расход газа

высокое быстродействие, позволяющее измерять расходы, меняющиеся с
частотой до 10 кГц;

Бесконтактность приемных устройств;

очень небольшая величина или даже полное отсутствие дополнительной потери
давления.

К недостаткам рассматриваемых приборов следует отнести:

Относительную сложность их измерительной схемы

В зависимости от плотности среды.

В первую очередь эти приборы должны применяться в тех случаях, где трудно
использовать расходомеры других типов, например при измерении расхода
агрессивных сред и пульп, неэлектропроводных жидкостей, больших расходов воды,
например в гидротурбинах.

Вибраторы ультразвуковых расходомеров

Наибольшее применение для изготовления вибраторов ультразвуковых
расходомеров получил титанат бария (ВаТiO3), относящийся к группе сегнетоэлектриков и обладающий
исключительно высокой диэлектрической постоянной (порядка 1500) и большим
пьезомодулем, в 100 раз большим, чем у кварца. Он позволяет получать
интенсивные колебания при напряжениях во много раз меньших, чем это необходимо
для кварца.

Во избежание непосредственного контакта с измеряемой средой, колебания от
вибратора передаются через металлический или пластмассовый звукопровод в виде
пластины или стержня.

В некоторых случаях вибраторы устанавливаются снаружи трубы и через ее
стенки передают колебания измеряемой среде.

Обычно вибраторы изготовляются из круглых пластинок. Такие вибраторы
(близкие к круглым поршневым мембранам) дают определенную направленность
излучения, которое почти полностью сосредоточено внутри конуса, охватывающего
пластину с углом раскрытия 2q, который
определяется выражением

sin q =

где
f – частота колебаний;

D – диаметр
излучателя.

Чем
выше частота и радиус излучателя, тем меньше угол q и тем более направленным оказывается излучение.

Собственная
или резонансная частота вибратора fd (МГц) обратно
пропорциональна толщине пластины и определяется формулами

fd =d=

где s – толщина
пластины, мм.

Высокие частоты необходимы в двухканальных приборах для получения
направленного излучения, кроме того, они повышают чувствительность прибора при
фазовом методе измерения. Однако с ростом частоты увеличивается коэффициент
поглощения в жидкостях и особенно в газах, поэтому для последних высокие
частоты не подходят.

Фазовые расходомеры работают обычно на частотах 0,1…2 МГц (верхние цифры
только для чистых жидкостей), а частотные – на частотах 5…10 МГц или на
коротких радиоимпульсах. Пользуясь приведенными формулами, можно подобрать
необходимую толщину излучателя, чтобы он работал вблизи от резонанса, и его
диаметр, обеспечивающий нужную направленность излучателя. Последняя особенно
необходима при двух рядом расположенных электроакустических каналах.

При направленном излучении поверхность приемного вибратора должна
располагаться против поверхности излучающего. В тех фазовых однолучевых
расходомерах, которые работают на сравнительно невысоких частотах, угол 2q получается весьма значительным и колебания распространяются
практически сферически. В этом случае противопоставление поверхностей
излучающего и приемного вибраторов не обязательно.

Если вибратор установлен снаружи трубы, а внутрь последней введен
звукопровод, соединенный с вибратором, например в виде стержня, то последний в
случае невысоких частот будет создавать колебания, распространяющиеся
равномерно во все стороны. Такой способ применялся при измерении расхода в
прямоугольных каналах, подводящих воду к гидравлической турбине. Длина
звукопроводящих стержней была около 8 м. Тип расходомера – фазовый с двумя
вибраторами, возбуждаемыми поочередно.

На рисунке 1.4 показаны основные принципиальные схемы расположения
вибраторов, из них первые три (а, б, в,) – одноканальные, а последние два (г,
д) – двухканальные. Первая схема со сферическим излучением, остальные – с
направленным, причем последняя может работать как с направленным, так и со
сферическим излучением.

Наиболее часто применяются схемы с излучением,
направленным под углом к оси трубы ( см. рисунок 1.4, в, г, д и рисунок 1.5). В
этом случае на трубопроводе делаются особые впадины – «карманы», в глубине
которых размещаются вибраторы. При загрязненных жидкостях и пульпах наличие
таких карманов крайне нежелательно из-за возможности выпадения в них осадков.

Рисунок
1.4 – Основные схемы расположения пьезоэлементов: а, б, в – одоканальные; г, д
– двухканальные

Поэтому
было предложено заполнять все свободное пространство «карманов» звукопроводом
из металла или органического стекла. Подобные преобразователи (рисунок 1.5,б)
называются преобразователями с преломлением, поскольку на границах между звукопроводами
и средой изменяется направление распространения ультразвуковых колебаний.

Угол
преломления b зависит от акустических свойств звукопровода и среды.
Преобразователи с преломлением, кроме того, способствуют снижению температурной
погрешности и погрешности от реверберации. Первое достигается за счет выбора
материала звукопровода и угла его расположения по отношению оси трубы, второе –
за счет предотвращения попадания на излучатель отраженных колебаний.

Рисунок 1.5 – Двухканальные преобразователи с излучением под углом к оси
трубы: а – преобразователь со звукопроводящими мембранами без преломления; б –
преобразователь со звукопроводами с преломлением.

На рисунке 1.6 показана установка одного из пьезоэлементов
преобразователя расходомера типа РУЗ-282. Преобразователь представляет собой
отрезок трубы 2 длиною 400 мм и внутренним диаметром 70 мм с присоединительными
фланцами 1 на концах. На трубе 2 имеются расположенные под углом 20° четыре
отростка 10 длиною около 110 мм и внутренним диаметром 30 мм.

Материал трубы и
отростков – сталь марки 1Х18Н9Т, покрываемая в случае необходимости
фторопластовой пленкой. Излучателем ультразвуковых колебаний является круглая
пластина 7 из титаната бария диаметром 20 мм и толщиной 2,5 мм. Она плотно
прижимается с помощью пружины 5 к звукопроводу 11 из органического стекла 2-55,
закрепленному на резьбе во втулке 9.

Через эти слои осуществляется электрический контакт излучателя с
генератором высокочастотных колебаний. Синусоидальные электрические колебания
частотой 1 МГц и амплитудой около 20 В подводятся по высокочастотному кабелю 3
типа РД-13. Токоподводящая жила кабеля 3 соединена с верхней обкладкой
пьезоэлемента через пружину 5 и латунный стакан 6, а экранирующая оплетка
кабеля соединена с нижней обкладкой

Рисунок 1.6 – Преобразователь расходомера РУЗ-282: 1 – присоединительный
фланец; 2 – труба; 3 – высокочастотный кабель; 4 – трансформатор
высокочастотный; 5 – пружина; 6 – латунный стакан; 7 – излучатель; 8 – пружинный
контакт; 9 – втулка; 10 – отросток;

Мощность подводимых колебаний порядка 2 Вт. Между кабелем 3 и излучателем
7 помещен согласующий высокочастотный трансформатор 4, индуктивность вторичной
обмотки которого вместе с емкостями двух параллельно подключенных излучателей
образует контур, настроенный на частоту 1 МГц.

Ультразвуковые расходомеры.

Ультразвуковые фазовые расходомеры основаны на измерении разности фаз,
поступающих на приемные пьезоэлементы двух ультразвуковых колебаний, из которых
одно следует по направлению скорости потока υ, а другое – против этой скорости. Если
путь L, проходимый в жидкости, и начальная
фаза обоих колебаний совершенно одинаковы, то измеряемая разность фаз Dj будет зависеть лишь от разности
времен Dt прохождения пути L обоими
колебаниями и от периода Т или частоты f этих колебаний. Очевидно

Dj=

Подставляя вместо Dt
его значение из уравнения (1.5), получим

Dj

где
w= 2pf – круговая
частота колебаний.

Если ультразвуковые колебания направляются под углом a к оси трубы или, что то же, к
скорости υ, то
будем иметь

Dj=

Частный случай формулы 1.7 – формула (1.6).

При распространении ультразвуковых колебаний под углом a. Схема одноканального фазового расходомера с механическим
переключателем и фазометрической лампой. к оси трубы, длина L пути, проходимого
ультразвуком в движущейся среде, может быть выражена через диаметр D трубы. Действительно D = L sin a. Тогда уравнение (1.7) принимает вид

Dj =

Одна из возможных схем ультразвукового фазового расходомера показана на
рисунке 1.6.

На трубопроводе установлены два пьезоэлектрических вибратора 1 и 2. Один
из них, скажем 1, в данный момент времени с помощью механического переключателя
7 подключен к генератору высокочастотных синусоидальных электрических колебаний
3 и создает ультразвуковые колебания в потоке жидкости.

Другой вибратор
воспринимает ультразвуковые колебания, прошедшие в жидкости расстояние L, и
преобразует их в выходные электрические колебания, поступающие затем к
усилителю 4, который кроме усиления еще с помощью ограничительного каскада
преобразует синусоидальные колебания в прямоугольные колебания.

Сдвиг между прямоугольными колебаниями, поступающими от усилителей 4 и 5
на фазометр 6, равен разности фаз между ультразвуковыми колебаниями,
создаваемыми излучающим вибратором 2

Е0= A sin wt,

Воспринимающий вибратор получает вибрации 1

E1 = kA sin w(t – t1),

где k – коэффициент затухания амплитуды
колебаний;

А – амплитуда ультразвуковых колебаний;

W – Ультразвуковая частота колебания в круге;

Время колебаний между вибрациями называется T1.

Очевидно, эта разность фаз Dj1
равна

Dj1=wt -w(t -t1)=

Чем
больше сдвиг фаз Dj1, тем
меньше период времени, в течение которого через фазометр проходит ток IФ, и тем меньше среднее значение тока IА за период и, наоборот, тем больше среднее значение
напряжения Ea1, до
которого заряжается конденсатор C1.

Затем происходит переброс переключателя 7,
в результате чего вибратор 1 становится генерирующим, а вибратор 2 –
воспринимающим ультразвуковые колебания, а вместо конденсатора C1 подключается
конденсатор С2. Частота переброса переключателя 10 Гц. Теперь разность фаз Dj2
колебаний, поступающих на фазометр 6, будет

Dj2=wt2=,

поскольку
колебания между вибраторами 1и 2 распространяются навстречу скорости потока υ.

Среднее
напряжение Еа2, будет также и средним напряжением конденсатора С2.
Между конденсатором C1 и С2 включен высокоомный вольтметр 8, .который будет
измерять разницу напряжений Еа2 – Ea1. Можно показать, что

Еа₂
= Ea₁=

Из
полученного уравнения следует, что чувствительность метода возрастает с
увеличением частоты ультразвуковых колебаний. Обычно частоту ультразвуковых
колебаний для схем, подобных изображенной на рисунке 1.7 берут 100…500 кГц.

Рисунок 1.7 – Схема одноканального фазового расходомера; 1, 2 – пьезоэлектрический
вибратор; 3 – высокочастотный генератор; 4,5 – усилитель; 6 – фазометр; 7 – переключатель

При дальнейшем увеличении частоты в подобных схемах может возникнуть
погрешность, связанная с трудностью получения крутых фронтов прямоугольных
колебаний, а также возможностью нарушения симметрии этих колебаний. Кроме того,
надо иметь в виду, что чем больше частота, тем больше коэффициент поглощения
звуковых колебаний.

Брать же рабочие частоты ниже указанных цифр нерационально
из-за снижения чувствительности метода, а при малых диаметрах трубопровода
(порядка нескольких миллиметров) и недопустимо, поскольку минимально пороговая
частота, обеспечивающая распространение звуковых колебаний в жидкости,
находящейся в трубе, обратно пропорциональна диаметру трубы.

Была предложена схема для работы на высоких частотах порядка 1 МГц и
выше, основанная на том, что разность фаз двух колебаний не меняется при
одновременном одинаковом преобразовании частоты исходных колебаний. Генератор,
стабилизированный кварцем, вырабатывает колебания частотой 1 МГц, которые через
механический переключатель поступают на вибратор, излучающий ультразвуковые
колебания.

Приемный вибратор преобразует последние вновь в электрические
колебания, поступающие на усилитель и далее в смеситель C1, где они смешиваются
с колебаниями частот той 0,922 МГц, поступающими от гетеродинного генератора.
После переключения на другом смесителе С2 смешиваются исходные колебания
генератора частотой 1 МГц и колебания частотой 0,922 МГц от гетеродинного
генератора.

Таким образом, после смесителей C1 и C2 имеем колебания частотой 8 кГц, разность фазы которых
зависит от скорости потока. Эта разность фаз измеряется при помощи схемы
синхроннофазового детектора, вырабатывающей импульсы с частотой 8 МГц,
амплитуда которых равна 1 мA, а
длительность пропорциональна разности фаз поступающих сигналов.

.

помехи и ограничения, возникающие из-за наличия в схеме механического
переключателя;

– зависимость показаний прибора от скорости звука в данной среде, которая
может меняться, например, при изменении температуры.

Механический переключатель ограничивает возможность измерения
быстроменяющихся расходов вследствие небольшой частоты переключения (порядка 10
Гц), достигаемой с его помощью, в то время, как эта частота должна быть по
крайней мере в 3…4 раза больше частоты измеряемого процесса.

Кроме того,
механический переключатель является источником емкостной паразитной связи между
вибраторами, а также «шумов», что может повести к возникновению дополнительных
погрешностей. Поэтому были разработаны схемы ультразвуковых фазовых
расходомеров с применением электронных переключателей.

Одна из таких схем изображена
на рисунке 1.8. Здесь связь излучающего вибратора с генератором Г и приемного
вибратора с усилителем У осуществляется через электронные ключи K1, К2, K3 и К4, выполненные в виде многокаскадных усилителей (для
достижения требуемого ослабления в запертом канале) на лампах с малой проходной
емкостью.

Включение клапанов осуществляет мультивибратор М с помощью двух
управляющих усилителей УП1 и УП2, создающих симметричные прямоугольные
колебания напряжения, поступающие на K1 и К4 или K2 и К3.

Частота этих колебаний равна частоте переключения клапанов, а
следовательно, и вибраторов. В данный момент включены ключи К1 и К4 (знак
” “) и выключены K2 и
К3. Остальная часть схемы, состоящая из синхроннофазового детектора СФД, на
который поступают прямоугольные колебания от усилителей У1 и У2, работает так
же как и у ранее рассмотренных фазовых расходомеров.

В предыдущих схемах производится поочередная посылка ультразвуковых
колебаний по потоку и против него. Наряду с этими схемами предложен и
осуществлен прибор, в котором оба вибратора в течение 500 мкс одновременно
излучают колебания навстречу друг другу, а затем оба переключаются на прием,
который длится тоже в течение 500 мкс.

Принятые колебания после усиления и
ограничения поступают на фазовый детектор, выходной ток которого пропорционален
разности фаз колебаний, идущих по потоку и против него. Генератор вырабатывает
электрические колебания с частотой 1,05 МГц, которые проходят ступень удвоения
частоты.

Рисунок 1.8 – Схема одноканального фазового расходомера с электронным
переключателем: М – мультивибратор; УП1, УП2 – управляющий усилитель; К1, К2,
К3, К4 – электронный ключ; У1, У2 – усилитель; СФД – синхроннофазовый детектор

Пьезоэлементы установлены на торцовых поверхностях отрезка трубы на
расстоянии 750 мм друг от друга и с помощью дисков отделены от жидкости.
Последняя входит и выходит через боковые штуцеры. Скорость прохождения
ультразвука от одного вибратора до другого 500 мкс.

Это время совпадает с
периодом переключения вибраторов. Благодаря этому основные отраженные импульсы
приходят на пьезоэлементы во время работы последних в качестве излучателей, что
существенно уменьшает возможные погрешности от реверберации. Переключение
вибраторов производится с помощью мультивибратора, который одновременно подает
на каскад удвоения (вырабатывающий колебания частотой 2,1 МГц) и на оба
приемных усилителя прямоугольные импульсы противоположной полярности
длительностью 500 мкс.

Наличие переключателя как механического, так и электронного значительно
усложняет конструкцию приборов и, в частности, их фазометрическую схему.

Этот недостаток можно исключить, если в трубопроводе установить две пары
вибраторов так, чтобы в одной паре излучатель непрерывно создавал колебания,
направленные по потоку, а в другой – против потока. Расстояния L между излучателем и приемником
должны быть одинаковы у каждой пары.

Частота колебаний в подобном приборе
обычно бывает высокой, чтобы обеспечить направленность излучений и избежать
передачи колебаний на соседний вибратор. В таком расходомере на фазометр будут
непрерывно поступать два синусоидальных колебания, фазовый сдвиг между которыми
пропорционален скорости потока.

В качестве примера подобного двухлучевого или двухканального прибора на
рисунке 1.9 приведена блок-схема расходомера РУЗ-282.

Ультразвуковые колебания, создаваемые излучателями И1 и И2, проходят
через звукопроводы из органического стекла, преломляются при входе в жидкость,
проходят через последнюю, и через приемные звукопроводы поступают на приемные
пьезоэлементы П1 и П2, образуя на последних синусоидальные напряжения, разность
фаз между которыми пропорциональна скорости потока.

Каждый из пьезоэлементов П1
и П2 связан со своим усилителем У1 и У2 состоящим из четырех резонансных
каскадов. В одном из усилителей имеется фазовращатель мостового типа, связанный
со вторым и третьим каскадом усиления через два катодных повторителя и служащий
для компенсации начального сдвига фаз между каналами приемного преобразователя.
Выход обоих усилителей связан со схемой фазового.

Схема двухканального фазового расходомера, рисунок 1.9

Г – генератор; У,У1, У2 – усилитель; И1,И2 – излучатель; П1, П2 –
приемник; ФД – Фазовый детектор; М – показывающий прибор

детектора
ФД, в которой оба сравниваемых по фазе напряжения подаются на общее омическое
сопротивление и складываются на нем. Суммарное напряжение на последнем зависит
от сдвига фаз Dj между колебаниями, прошедшими по потоку и против
него. Оно равно 2U₀cos₀ – амплитуды сравниваемых напряжений). Это напряжение
детектируется и поступает к стрелочному прибору М и включенному последовательно
с ним проволочному сопротивлению в 100 Ом, напряжение с которого поступает на
электронный потенциометр ПСР-1.

Как
было уже сказано, показания фазовых расходомеров зависят от величины скорости
звука в данной среде. Для устранения этой зависимости предлагалось включение
особого блока, который преобразовывал бы напряжения, пропорциональные фазовым
смещениям Dj1 и Dj2, в
какие-либо обратно пропорциональные величины, например токи, и затем вычитал
эти величины.

При
этом имелось в виду, что разность

где
k – коэффициент пропорциональности, не будет зависеть
от скорости звука с.

Однако
попытка реализовать эту идею не дала положительного результата, так как
существующие приборы измеряют не полные фазовые смещения Dj1 и Dj2, а
только их части – меньшие 2p.

Другой
путь исключения влияния скорости звука на показания прибора основан на явлении
преломления ультразвукового луча, падающего под углом на границу раздела двух
сред (жидкость – материал звукопровода). Материал звукопровода подбирается так,
чтобы изменение фазы на приемном вибраторе, вызванное изменением скорости звука
в потоке и сопутствующим ему изменением угла преломления, компенсировало
погрешность прибора от изменения скорости звука.

1.4 Ультразвуковые
частотные расходомеры.

Ультразвуковые частотные расходомеры разделяются на частотно-пакетные и
частотно-импульсные.

В ультразвуковых частотно-пакетных расходомерах колебания, направляемые
по и против скорости потока, с помощью импульсной схемы преобразуются в такие
колебания, периоды которых равны удвоенному времени прохождения ультразвука
между вибраторами по потоку и против него.

На рисунке 1.10 изображена блок -схема потока измерителя аналогичной конструкции.

Рисунок
1.10 – Двухканальный частотно-пакетный расходомер: а – схема расходомера; б –
колебания на тракте И1 и П1; в – колебания на тракте И2 и П2; г – работа
модулятора М1; д – работа модулятора M2

Генератор
Г, создающий синусоидальные колебания высокой частоты (10 МГц), подает
последние через модуляторы M1 и М2 на излучающие вибраторы И1 и И2. Первый из них
посылает ультразвуковые колебания под углом a к направлению
скорости. Эти колебания воспринимаются приемным вибратором П1, находящимся на
расстоянии L от вибратора И1. Время Т1 прохождения ультразвуковых
колебаний между вибраторами И1 и П1 будет равно Т1 =
f1- f2=

Весьма
ценным является то, что разность частот (f1- f2)
прямо пропорциональна скорости потока υ и не зависит от скорости распространения звука с.

В
построенном приборе порядок частот f1 и f2 равен 5 кГц,
а их разность f1- f2 при максимальном расходе равна 50 Гц. Расстояние
между излучающими и приемными вибраторами 150 мм; диаметр трубопровода 100 мм;
относительная погрешность прибора в пределах ±2 % от максимального значения
шкалы.

Было
бы весьма полезно повысить величину измеряемой разности частот f1- f2.
Это позволило бы сократить время t, необходимое для
измерения f1-f2 и, следовательно, повысить быстродействие прибора.

Одним
из путей в этом направлении, позволяющим увеличить f1- f2 в
два раза, является применение генератора, вырабатывающего не непрерывные
колебания, а короткие импульсы, интервалы между которыми равны времени
прохождения ультразвука по и против скорости потока. Подобный прибор называется
частотно-импульсным расходомером.

Другим
способом является предложение выделять из частот f1 и f2 n-е
гармоники и затем уже определять их разностную частоту, которая очевидно будет
равна n×(f1-f2).

Для
устранения возможных перекрестных наводок в двух рядом расположенных
акустических каналах иногда применяют в них разные несущие частоты, например,
85 и 135 кГц.

.5
Ультразвуковые время – импульсные расходомеры

В
ультразвуковых время – импульсных расходомерах производится измерение разности
времен Dt прохождения коротких импульсов по направлению
скорости потока υ и против него. Величина Dt определяется формулой

Dt=

из
которой следует, что Dt прямо пропорционально скорости потока υ. Однако величина Dt весьма мала 10-6…10-7
c. при расходе, соответствующем пределу шкалы.
Следовательно, измерять необходимо с точностью 10-8…10-9
с.

Это является весьма трудной задачей, требующей для своей реализации весьма
сложных электронных измерительных схем. В этом состоит причина, почему время-
импульсные расходомеры применяются значительно реже, чем фазовые или частотные
расходомеры, измерительные схемы которых оказываются более простыми.

1.6
Ультразвуковые расходомеры со сносом излучения

В
данных ультразвуковых приборах для измерения расхода или скорости потока излучающий
вибратор 1, показанный на рисунке 1.11, возбуждается генератором 5 и создает
колебания, направленные перпендикулярно к оси потока. На противоположной
стороне трубы установлены два приемных вибратора 2 и 3, обычно симметрично
относительно излучающего вибратора. Чем больше скорость потока, тем сильнее
отклоняются ультразвуковые колебания по направлению этой скорости.

Рисунок
1.11 – Схема расходомера со сносом ультразвукового
излучения: 1 – излучатель; 2,3 – приемник; 4 – дифференциальный усилитель; 5 – генератор

При
узко направленном луче, перпендикулярном стенке трубопровода, угол отклонения
луча q определяется уравнением tg q =

Применение
данных приборов для газа более оправдано, поскольку здесь скорости υ больше, чем у жидкости, а скорость с, наоборот,
меньше. Здесь при d= 100 мм, υ= 15 м/с и с=350м/с имеем х = 4,2 мм.

Для увеличения чувствительности данного метода были предложены и
осуществлены расходомеры со сносом, в которых излучаемые колебания направлены
не по перпендикуляру: к оси трубы, а образуют небольшой угол с ним. Затем эти
колебания многократно отражаются от стенок и попадают на два рядом
расположенные приемные пьезоэлементы (рисунок 1.12), сигналы от которых
поступают на дифференциальный усилитель УД.

Ультразвуковой импульс пересекает трубопровод, воспринимается двумя
пьезоэлементами, симметрично расположенными относительно излучателя, и
одновременно отражается от стенки трубопровода назад. Возвратившись к месту
излучения, импульс вновь отражается и т. д.

Рисунок 1.12 – Схема расходомера со сносом и многократным отражением

Г-генератор; УД-дифференциальный усилитель; Д-детектор; ИП-измерительный
прибор; СК-схема коррекции; ДК-детектор коррекции; СС-счетная схема

При этом приемные пьезоэлементы воспринимают импульсы, амплитуда которых
уменьшается в результате поглощения и рефракции. Сигналы, образующиеся в
приемных пьезоэлементах от одного из этих эхоимпульсов, отбираются, проходят
усилители и детекторы, после чего поступают на логарифмический делитель,
выходное напряжение которого приблизительно пропорционально скорости потока.

Недостатком обоих описанных приборов с многократным отражением является
зависимость их показаний от чистоты среды и чистоты отражающих поверхностей.

При коррозии трубы или образования в ней каких-либо наростов могут
возникать значительные погрешности. Коэффициент затухания также должен быть
невелик, чтобы обеспечить возможность прохождения большого пути.

Измерение массового расхода с помощью ультразвуковых расходомеров

Все ранее рассмотренные схемы ультразвуковых расходомеров дают показания
пропорциональные скорости потока или его объемному расходу. Для получения
массового расхода необходимо иметь особый элемент, вырабатывающий напряжение
пропорциональное плотности или удельному весу среды, и затем блок для умножения
этого напряжения на напряжение, пропорциональное объемному расходу.
Одновременно при этом следует компенсировать и возможное влияние на показания
прибора скорости ультразвука с.

Таким
элементом может служить отдельный вибратор, возбуждаемый на резонансной частоте
самостоятельным генератором. Напряжение, снимаемое с этого вибратора,
пропорционально удельному акустическому сопротивлению среды rс (при условии, что
последнее много меньше сопротивления генератора), где
rс

где
r – плотность среды;

k – коэффициент
пропорциональности.

Таким
образом, показания будут пропорциональны массовому расходу (rυ), но зависимость от с, хотя и снижена, но полностью не
устранена. Для достижения этого надо ввести еще множитель пропорциональный с.
Блок-схема подобного реализованного прибора показана на рисунке 1.13.

На рисунке 1.13 схематически показан частотно-пакетный массовый расходомер.

И1, И2 – излучатель; П1, П2 – приемный пьезоэлемент; У1, У2 – усилитель;
Д1, Д2 – детектор; М1, М2 – модулятор; Г – генератор

Для получения массового расхода М в частотном расходомере надо выполнить
аналогичные процедуры, только здесь напряжение, пропорциональное с, надо
вводить не в виде множителя, а в виде делителя. Тогда получим

k×υ×r×c

Наиболее
просто массовый расход может быть получен в расходомерах, измеряющих величину
отклонения или сноса излучения. Здесь достаточно ввести в качестве множителя
напряжение, пропорциональное акустическому сопротивлению r с, чтобы сразу получить весовой расход. Действительно

Где D – постоянная величина

Элементы, необходимые для получения напряжения, пропорционального rс, и для его ввода в схему расходомера,
показаны на рисунке 1.12 штрих – пунктиром.

Заметим, что вибратор, служащий для измерения акустического сопротивления
среды, должен передавать колебания непосредственно измеряемой среде без
промежуточного звукопровода. Это исключает возможность его применения для сред,
могущих давать отложения на его поверхности.

1.2 Принцип
работы

TransPort использует один из двух принципов работы в зависимости от того, каким
методом ведутся измерения: время-импульсным или зондирующим.

3.1.2.1 Время-импульсный метод. Когда Transport использует время-импульсный метод,
ультразвуковые импульсы распространяются сквозь движущуюся жидкость. Импульсы,
распространяющиеся в направлении течения жидкости (вниз по течению) движутся
немного быстрее, чем импульсы, распространяющиеся против течения (вверх по
течению).

.1.2.2 Зондирующий метод. Один из преобразователей передает группу
импульсов (обычно 16) с регулярными интервалами (обычно от 5000 до 1000
передач/с). Ультразвуковые импульсы проходят через жидкость, отражаются от
включений (таких как пузырьки, твердые частицы) и затем принимаются вторым
преобразователем.

Принятые ультразвуковые сигналы представляют собой “картинки”,
непрерывно получаемые в данном месте трубы. Transport сравнивает эти “картинки одну с
другой по мере их получения. Путем сравнения (усреднения) этих
“картинок” Transport может исключить из рассмотрения неподвижные объекты.

Расходомеры фирмы Panаmetrics, измеряют поток с использованием
метода, основанного на измерении времени прохождения импульсов. При этом два
преобразователя укрепляются на трубе, причем один выше другого по течению. Они
поочередно посылают ультразвуковые импульсы сквозь жидкость и принимают их.

Импульсы, направленные в ту же сторону, в которую течет жидкость (вниз по
течению), распространяются немного быстрее, чем импульсы, идущие навстречу
жидкости (вверх по течению). Соединенное с преобразователями электронное
устройство расходомера измеряет время прохождения импульсов от одного
преобразователя к другому как вверх, так и вниз по течению и на основании этой
информации вычисляет скорость течения.

Точность и производительность работы расходомера в большой мере зависят
от расположения преобразователей, расстояния между ними и их ориентации. Данная
инструкция по установке преобразователей дает общие правила расположения и
установки большинства видов преобразователей.

1.2 Механизм действия ультразвукового толщиномера

Все ультразвуковые датчики толщины основаны на измерении времени
распространения звукового импульса в тестируемом материале по кольцевой
траектории. Поскольку твердый металл имеет акустический импеданс, отличный от
импеданса газов, жидкостей и продуктов коррозии, таких как ржавчина или накипь,
звуковой импульс отражается от поверхности металла.

Расстояние = Скорость х Время.

Одноэлементные преобразователи используют один элемент в качестве как
передатчика так и приемника. Преобразователи на двух элементах включают
отдельные передающие и приемные элементы. Такие элементы устанавливаются на
линиях задержки, которые обычно образуют угол с горизонтальной плоскостью
(углом свода) так, что траектории передаваемого и принимаемого пучков
пересекаются под поверхностью тестируемого участка.

Такое устройство
двухэлементных преобразователей обеспечивает эффект псевдофокусировки,
оптимизирующий измерения минимальной толщины стенки при наличии коррозии.
Двухэлементные преобразователи чувствительнее одноэлементных к отражениям от
дна коррозионных изъязвлений, которые соответствуют минимуму остаточной толщины
стенки.

Кроме того, двойные преобразователи обычно более эффективны на
шероховатой наружной поверхности, являющейся входной для звука, порождают
длинные кольцевые интерфейсные отражения, понижающие приповерхностное
разрешение одноэлементных преобразователей.

В двухэлементных преобразователях приемник не способен уловить это ложное
эхо. Наконец, двухэлементные преобразователи могут применяться для
высокотемпературных измерений, при которых контактные одноэлементные
преобразователи могут быть повреждены.

Операции и факторы, влияющие на точность:

поверхностные условия, рыхлая или чешуйчатая накипь, ржавчина или пыль на
наружной поверхности тестируемого куска препятствуют прохождению звуковой
энергии из преобразователя в тестируемый материал. Таким образом, любые рыхлые
наносы такого сорта должны быть удалены с образца проволочной щеткой или
напильником до начала измерений.

Вообще говоря, можно выполнить измерения
сквозь тонкий слой ржавчины, если только ржавчина гладкая и плотно прилегает к
нижележащему металлу. Некоторые очень покоробленные или коррелированные
поверхности требуют обработки напильником или шлифовки для обеспечения
достаточного звукового контакта.

Может также оказаться необходимым удалить
краску, если она намазана толстым слоем или отслаивается от металла. В то
время, как обычно можно делать измерения толщины сквозь тонкий слой краски (от
0,1 до 0,2 мм), толстый слой будет поглощать сигналы или порождать ложные
отражения, что приведет к неточным измерениям.

Может оказаться проблемой существование сильных неоднородностей внешней
поверхности или резервуара. На некоторых шероховатых поверхностях помочь
звуковой энергии проникнуть в тестируемый участок может использование геля или
консистентной смазки вместо жидкой.

В исключительных случаях может оказаться
необходимым отшлифовать поверхность до гладкости, достаточной для обеспечения
контакта с лицевой поверхностью преобразователя. В случаях, когда имеют место
глубокие углубления на наружной поверхности трубы или резервуара, обычно бывает
нужно измерить остаточную толщину металла от дна углублений до внутренней
стенки.

Распространенный метод состоит в измерении неизъязвленной толщины металла
ультразвуковым датчиком, измерении глубины углублений механическим способом, и
вычитании глубины из измеренной толщины стенки. По-другому, можно отшлифовать
поверхность до уровня дна углублений и померить обычным способом.

Как и при любых сложных измерениях, наилучшим способом определения
возможных сочетаний датчик – преобразователь для данной поверхности является
экспериментирование с реальным образцом;

расположение, выравнивание преобразователя. Для хорошей передачи звука
преобразователь должен быть плотно прижат к тестируемой поверхности. На
цилиндрических поверхностях малого диаметра, таких, как трубы, устанавливают
преобразователь так, чтобы видимая на зондирующем торце полоса
звукоизолирующего материала была ориентирована перпендикулярно центральной оси
трубы (рисунок 3.1).

Рисунок
3.1 – Расположение преобразователей на цилиндрических поверхностях

калибровка,
точность измерений не превосходит точности калибровки датчика. В Transport внутренняя настройка калибровки отсутствует. Использование
ультразвукового датчика толщины, даже если преобразователь заменен или имеются
основания сомневаться в точности измерений. Периодические проверки на образцах
известной толщины рекомендуются для проверки правильного функционирования датчика;

скос
или эксцентричность, если контактная поверхность и задняя поверхность скошены
или эксцентричны друг относительно друга, возвращающееся эхо снова искажается,
и точность измерений снижается;

акустические
свойства материала, у конструкционных материалов имеется несколько
характеристик, которые могут существенно ограничить точность, а также диапазон
пригодных для измерения толщины:

а)
рассеяние звука, в некоторых материалах, особенно в некоторых видах литой
нержавеющей стали, чугуне, а также композитах звуковая энергия рассеивается на
отдельных кристаллитах в отливке или на разнородных материалах в композите.
Этот эффект снижает возможность надежного различения сигнала, отраженного от
обратной стороны материала, тем самым понижает возможность ультразвукового
тестирования;

б)
изменения скорости, в большом числе материалов скорость звука существенно
меняется от точки к точке. В определенных видах литой нержавеющей стали и
латуни этот эффект обусловлен сравнительно большими размерами зерна и
анизотропией скорости звука по отношению к ориентации зерна.

в)
ослабление или поглощение звука, во многих органических веществах, таких как
пластики низкой плотности или каучук, звук очень быстро ослабляется на
частотах, которые используются в обычных ультразвуковых датчиках толщины.
Поэтому максимальная толщина, которую можно измерить в этих веществах, часто
ограничена ослаблением звука.

.2
Ультразвуковой расходомер УРСВ-010М “ВЗЛЕТ РС”

Расходомер УРСВ-010М “ВЗЛЕТ РС” предназначен для измерения
объемного расхода и объема различных жидкостей в широком диапазоне температур,
в том числе холодной и горячей воды, в напорных металлических и пластмассовых
трубопроводах в различных условиях эксплуатации, в том числе во взрывоопасных
зонах.

Расходомер выполняет измерения при постоянном и/или переменном
(реверсивном) направлении потока жидкости в трубопроводе для каждого
направления отдельно, с индикацией знака направления потока, архивирование
измеренных значений, а также обеспечивает возможность вывода измеренных
значений на внешние устройства /8/.

Расходомер обеспечивает возможность измерения в одном трубопроводе одной
парой преобразователей электроакустических (ПЭА). ПЭА, входящие в состав
расходомера, изготавливаются нескольких типов:

Счета запечатаны и установлены на внутренней стене трубопровода без укрытий.

врезные (устанавливаются в монтажные патрубки, наваренные на
противолежащие отверстия в стенках трубопровода) герметичные.

Сертифицированы трубопроводы с диаметром DU от 10 до 4200 метров.

Следующие параметры указываются потоком в виде измерений:

средних объемных расходов жидкости (независимо от направления потока
жидкости – для каждого направления);

объемов жидкости нарастающим итогом (независимо от направления потока
жидкости – для каждого направления);

объема жидкости нарастающим итогом, как суммы результатов измерения в
обоих направлениях;

скорости потока жидкости (независимо от направления потока жидкости – для
каждого направления);

направления потока жидкости в трубопроводе с указанием знака (знак плюс –
соответствует “прямому”, а знак минус – “обратному”
направлению потока);

текущей даты и времени

Часы работы в стандартном и нетрадиционном режимах.

Расходомер обеспечивает хранение в архиве и вывод на устройство
индикации:

измеренных значений объемов (часовых, суточных, месячных) для обоих направлений
потока. Архивирование производится в энергонезависимой памяти расходомера за
последние 728 часов, 64 суток, 64 месяца;

журнала аварийных и нештатных ситуаций с указанием типа события, даты и
времени его начала и продолжительности. В журнале фиксируется 128 текущих
событий.

Расходомер выполняет вывод измеренных значений среднего объемного расхода
жидкости в виде токового выходного сигнала и объема жидкости в виде импульсов с
нормированным весом.

Расходомер выполняет работу

автоматический контроль аварийных и нештатных ситуаций и архивацию вида
аварии или нештатной ситуации, с занесением в журнал аварийных (нештатных)
ситуаций;

вывод измерительной, диагностической, справочной и архивной информации
посредством коммуникационной связи через последовательный интерфейс RS 232 или RS 485 (в том числе с помощью модема по телефонной сети).

Интерфейс RS 232
обеспечивает непосредственную связь расходомера только с одним персональным
компьютером (ПК) при длине линии связи не более 15 м. Интерфейс RS 485 позволяет обеспечивать
непосредственную связь в сети из 32 абонентов (одним из которых является ПК) на
расстояние до 1200 м. Дальность связи с помощью модема ограничена только длиной
телефонной линии.

Коммуникационная связь через интерфейс RS 232 (RS
485) позволяет с помощью ПК получить и задокументировать следующую информацию:

текущие значения измеряемых параметров и результатов автодиагностики
расходомера с привязкой к дате и времени съема параметров;

архивные значения измеряемых параметров и результатов автодиагностики,
хранящиеся в часовом, суточном или месячном архиве (по выбору) и журнале аварий
за весь период накопления или за требуемый период по выбору потребителя;

Справочные параметры расходомера.

При переходе в аварийный режим или при возникновении нештатной ситуации
расходомер обеспечивает коммутацию цепи сигнализации постоянного тока.

3.2.1.Технические характеристики потока измерителя

Таблица 3.1

Технические свойства по счетчику потока

Расходомер обеспечивает выдачу измеренных значений объема в виде
импульсов с нормированным весом.

В расходомере реализована возможность подключения к двум импульсным
выходам. У одного из них выходной каскад выполнен на фототранзисторе с открытыми
коллектором (вывод РК2) и эмиттером (вывод РЕ2) транзисторной оптопары,
обеспечивающей гальваническую развязку выхода от основной схемы.

При этом,
наибольшие допустимые значения напряжения 15 В, а тока нагрузки 10 мА. Этот
выход используется для подключения к тепловычислителю СПТ 960 фирмы
“Логика”. Другой импульсный выход (маркировка выводов POOUT, POGND) реализован на гальванически развязанном эмиттерном
повторителе.

Предусмотрена возможность установки с клавиатуры расходомера двух режимов
работы:

10 миллисекунд в прохождение импульсов (с тонким 2);

Импульсы длится 200 мс (с штрафом 2).

Период следования импульсов 200мс устанавливается при работе
расходомера с тепловычислителем СПТ960.

Номинальная статическая характеристика потока, измеренная с помощью пульса

= N×К,

где V – объем воды, измеренный за интервал времени Т, м3;-
количество импульсов, прошедших за интервал времени Т;

К – вес импульса, м3/имп.

Вес импульса К рассчитывается в расходомере автоматически после
определения Dy трубопровода по формуле:

K=QMAX Tи/3600,

Где t – предопределенное время для повторения импульса, s.

Рассчитанное значение округляется в расходомере и выводится на дисплей.
Это значение используется в качестве веса импульса К. При работе по импульсному
выходу обязательно убедиться в соответствии веса импульса, установленного на
устройстве регистрации и подключенного к импульсному выходу расходомера, весу
импульса на импульсном выходе расходомера, считанному с индикатора.

Доходность активна с точки зрения стоимости

QVMIN

где QV – значение среднего объемного
расхода жидкости, м3/ч;

QVMAX – наибольший измеряемый средний объемный расход жидкости для
данного типоразмера расходомера, м3/ч;VMIN – минимальное значение измеряемого
расхода, устанавливаемое пользователем, м3/ч.

Расходомер обеспечивает выдачу измеренных значений расхода в виде сигнала
постоянного тока с пределами :

0 – 5 мА при нагрузке не более 1.5 кОм

От 0 до 20 мА с нагрузкой, не превышающей 250 Ом;

От 4 до 20 мА при нагрузке не выше 250 Ом.

Расходомер обеспечивает коммутацию внешней цепи (релейная цепь, выводы
которой обозначены на схеме подключения и кросс-плате РК1 и РЕ1)
фототранзистором n-р-n типа с открытыми коллектором (вывод
РК1) и эмиттером (вывод РЕ1) транзисторной оптопары, обеспечивающей
гальваническую развязку прибора. Коммутируемые напряжение и ток при этом не
должны превышать 15 В и 10 мА соответственно.

Расходомер обеспечивает возможность просмотра данных при контроле их
значений, вводе или изменении (при вводе расходомера в эксплуатацию,
эксплуатации, поверке и т.д.) с помощью системы функциональных меню, доступ к
которым обеспечивается клавиатурой расходомера.

Относительные погрешности при выводе измеренных значений на индикатор,
при регистрации в архиве, при выдаче данных по RS связи, импульсному и токовому выходам не превышают значений,
указанных в таблице 3.2.

Таблица 3.2

Относительные ошибки в выходе измеренного значения

Устройство и счетчик потока, 3.2.1

.2.2.1. Принцип работы расходомера. По принципу работы расходомер
относится к время-импульсным ультразвуковым расходомерам, работа которых
основана на измерении разности времен прохождения коротких импульсов
(зондирующих) ультразвуковых колебаний (УЗК) по направлению скорости потока
жидкости в трубопроводе и против него.

По способу организации зондирования потока жидкости ультразвуковыми
импульсами расходомер относится к автоциркуляционным расходомерам с
попеременной коммутацией.

Особенностью этих ультразвуковых расходомеров (УЗР) является попеременное
функционирование двух синхроколец. Синхрокольца образованы приемно-усилительным
трактом, охваченным запаздывающей обратной связью через электроакустический
тракт ПЭА1 – стенка трубопровода – жидкость – стенка трубопровода – ПЭА2.

Первичный преобразователь расхода включает в себя отрезок трубы и
закрепленные на нем два электроакустических преобразователя – ПЭА1 и ПЭА2,
обеспечивающие излучение ультразвуковых сигналов (УЗС) в жидкость под углом к
оси трубопровода. При движении жидкости наблюдается снос ультразвуковой волны,
который приводит к изменению полного времени распространения УЗС между ПЭА: по
потоку жидкости (от ПЭА1 к ПЭА2) время распространения уменьшается, а против
потока (от ПЭА2 к ПЭА1) – возрастает.

Вторичный измерительный преобразователь посредством попеременного
излучения в движущуюся жидкость УЗС и их приема осуществляет измерение разности
времен распространения УЗС по потоку и против потока жидкости dT. Данная величина dT,
пропорциональная скорости, а следовательно, и расходу жидкости, определяется
выражением

dT = T1-T2=2×n×v×D×tgq/c2 t 3,

где

T1,T2=

T1 – полное
время распространения УЗС по потоку жидкости;- полное время распространения УЗС
против потока жидкости;

n – коэффициент
установки ПЭА: для установки ПЭА с отражением УЗС от стенки трубопровода n=2;
для установки без отражения n=1;- внутренний диаметр трубопровода;

q,с – угол и скорость
распространения УЗС в неподвижной жидкости;

v – скорость
жидкости, усредненная вдоль ультразвукового луча;

tСТ, tЗВ –
дополнительная задержка УЗС в стенках трубопровода, звукопроводах ПЭА и
электронном тракте при распространении УЗС по потоку и против потока жидкости.

.2.2.2
Описание функциональной схемы расходомера. Функциональная схема расходомера
приведена на рисунке 3.2.

Работа
расходомера рассматривается на примере расходомера с накладными ПЭА. Для
врезных ПЭА работа расходомера аналогична, за исключением способа ввода
ультразвуковых сигналов в жидкость.

На
схеме показаны следующие функциональные узлы расходомера:

первичный
преобразователь расхода (ПП);

вторичный
измерительный преобразователь (ВП) со встроенным стабилизированным вторичным
источником питания (ВИП), выполняющий функции контроллера расходомера с помощью
схемы микропроцессорного управления (СМУ), функции измерительного промежуточного
преобразователя с помощью блока приема и генерации сигнала (БПГС), функции
формирователя электрических выходных сигналов для информационной связи со
вторичными регистрирующими приборами, средствами измерений и автоматизации, и
функции устройства обработки, хранения и отображения данных;

индикатор
жидкокристаллический;

пленочная
клавиатура;

звуковой
излучатель.

Рисунок
3.2 – Функциональная схема расходомера

БПГС
работает следующим образом. После подачи запускающего импульса START
от СМУ производится сброс триггеров ТТ2 (формирователя периода наполнения) и
ТТЗ (триггера ошибки), а также происходит принудительный запуск формирователя
временного окна (ФВО), чем обеспечивается формирование первого зондирующего
импульса с помощью формирователя мощных импульсов (ФМИ).

При длительном
отсутствии импульсов на выходе триггера ТТ1 схема принудительного запуска (СПЗ)
вырабатывает запускающий импульс, который устанавливает триггер ТТ1 в
“1” состояние. Одновременно с этим происходит установка триггера ТТЗ
в “1” состояние, свидетельствующее о неисправности акустического
тракта (сигнал FAIL).

При исправности акустического тракта запускается
ФВО, который через 10…12 мкс выходным сигналом YN удерживает
триггер ТТ1 в “0” состоянии. При этом запрещается установка триггера
ТТ1 в “1” состояние от формирователя импульсов (ФИ), что необходимо
для защиты от помех.

Одновременно сигнал YN с выхода ФВО поступает на ФМИ. ФМИ
формирует зондирующий импульс, который через коммутатор направления излучения
(КМ) подается на один из ПЭА. Номер подключаемого к выходу КМ ПЭА (ПЭА1 или
ПЭА2) зависит от значения потенциала управления TEXT,
подаваемого на КМ с регистра управления РУ (предположим, что потенциал
управления коммутатором Т=0, тогда зондирующий импульс поступит на ПЭА1 и УЗС
будет излучен по потоку жидкости).

После
прохождения через электроакустический тракт на выходе ПЭА2 (или ПЭА1 – при
излучении против потока жидкости) сигнал имеет форму радиоимпульса. После
усиления усилителем (У), ФИ преобразует его в пачку импульсов, первым из
которых триггер ТТ1 устанавливается в “1” состояние. Таким образом
происходит регенерация импульса YN в каждом такте излучения сигнала по или
против потока жидкости.

Под
действием импульсов YN происходит заполнение счетчика СТ1 и в момент его
переполнения триггер ТТ2 устанавливается в “1” состояние и
заканчивается цикл измерения по данному направлению длительностью, например, Tn1 -по направлению потока (тогда Тn2 – против
направления потока). При этом формируется сигнал прерывания INTO.

Значения
Tn1 (Тn2) пропорциональны; времени распространения сигнала в
электроакустическом тракте T1 (T2)

Tn1=N×T1,

где
N – коэффициент накопления (определяемый счетчиком СТ1).

Длительности
интервалов Tn1 и Тn2 измеряются путем заполнения их импульсами с
генератора образцовой частоты (ГОЧ). Код, пропорциональный длительности Tn1
(Тn2),
формируется в счетчиках СТ0 и СТ2. Полученные коды считываются СМУ по сигналу
прерывания INTO, после чего СМУ формируется сигнал начальной
установки RESCNT для установки СТ0 и СТ2 в начальное состояние.

Для
автоматического перезапуска СМУ (после сбоев, зависаний, пропадания питающего
напряжения и т.д.) предусмотрена схема охранного таймера (ОТ).

СМУ
осуществляет обработку результатов измерения, и вычисление (по значениям
интервалов времени по обоим направлениям Tn1 и Тn2) измеряемого расхода жидкости Q

Q = Sпп×(Tn1-Тn2), м3/час

где
Sпп – коэффициент преобразования расходомера, м3/(мкс×ч).

При
градуировке расходомера на поверочной установке методом пропуска жидкости через
ПП, этот коэффициент определяется по методике поверки сравнением результатов
измерения расхода образцовым устройством и градуируемым расходомером.

При
косвенной градуировке методом измерения параметров ПП и Потока жидкости в
трубопроводе, в зависимости от типа ПЭА (накладной или врезной), этот
коэффициент вычисляется программой расходомера.

Параметры
первичного преобразователя расхода и другие градуировочные коэффициенты
вводятся в расходомер с клавиатуры и запоминаются в энергонезависимом
запоминающем устройстве. Ввод указанных коэффициентов осуществляется оператором
в соответствующих режимах (меню) в процессе градуировки расходомера.

БЕЗОПАСНОСТЬ И ЭКОЛОГИЧНОСТЬ РАБОТЫ

Темой данной дипломной работы, как уже было отмечено ранее, является
анализ ультразвуковых расходомеров.

С целью обеспечения безопасности при монтаже и эксплуатации
автоматизированной системы учета газа, в этом разделе, необходимо дать
характеристику производственной среды, в которой будет эксплуатироваться
рассматриваемая в проекте система и провести анализ производственных опасностей
и вредностей.

Безопасность производства и экологичная безопасность должна
соблюдаться при всех видах работ, связанных с автоматизацией данной системой.
Не соблюдение требований безопасности производства может привести к производственным
травмам, а не соблюдение экологической безопасности к загрязнению окружающей
среды.

.1 Характеристика производственной среды и анализ производственных
опасностей и вредностей.

При монтаже и эксплуатации рассматриваемой системы автоматического контроля
может возникнуть ряд опасных факторов (взрывы, пожары, загрязнение окружающей
среды).

С целью обеспечения безопасных условий труда, при эксплуатации системы
автоматизации, приведем описание вредных веществ имеющих место на узле учета
газа.

Попутный газ – бесцветная смесь легких углеводородных паров, легче
воздуха. Попутные газы по токсикологической характеристике относятся к
веществам 4 класса опасности по ГОСТ 12.1.007-88.

«Вредные вещества. Классификация и общие требования». Они не оказывают
токсикологического воздействия на организм человека, но при высоких
концентрациях вызывают отравление, связанные с удушьем из-за недостатка
кислорода. В связи с тем, что в попутных газах основным компонентом является
метан, этан, пропан, (35 %) их взрывопожароопасные свойства принимаются как для
этана, пропана, метана. Концентрационные пределы взрываемости 5,0 – 15,0 %
объемных. Температура самовоспламенения – 537 °С.

Предельно допустимая концентрация (ПДК), для рассматриваемого нефтяного
газа, представлена в таблице 5.1.

Таблица 5.1

Максимально допустимая концентрация паров газов в атмосфере

Кроме того, работая с данной автоматизированной измерительной системой
обслуживающий персонал сталкивается с другими трудностями и опасностями, а
также вредными факторами, которые оказывают неблагоприятное влияние на здоровье
людей. Воздействие этих факторов приводит к понижению работоспособности и
профзаболеваниям, а именно:

при регулировании или наладке датчиков температуры (преобразователей
измерительных) может возникнуть опасность поражения электрическим током из-за
возникновения токов короткого замыкания при неправильном подсоединении их к
электрической схеме. Также может возникнуть опасность получения механических
травм у обслуживающего персонала;

наличие в производственной среде взрывопожароопасных смесей,
нефтепродукты способны легко воспламеняться или образовывать с воздухом
взрывоопасные смеси, то отклонение от норм, правил и инструкций по технике
безопасности при ремонте и проверке датчиков, установленных на измерительных
емкостях, могут быть аварии, пожары и взрывы;

опасность пожара из-за короткого замыкания в электродвигателях. Питание
аппаратных средств осуществляется от промышленной сети переменного тока 380В ±
25 %, 50 Гц и в связи с этим возникает угроза поражения электрическим током.

воздействие атмосферного (молния) и статического электричества на
установку. Прямой удар молнии при котором ток может достигнуть 200 кА,
напряжение 150 миллионов вольт, температура 200 °С вызывает разрушения большой
силы;

санитарно-гигиенические и метеорологические условия производственной
среды (освещение, понижение и повышение температуры…). При высокой
температуре воздуха понижается внимание, появляется торопливость и
неосмотрительность, а при низкой уменьшается подвижность конечностей вследствие
интенсивности теплоотдачи организма. Неблагоприятно сказывается большая
скорость воздуха.

Какое помещение представляет наибольшую опасность для пожарной системы?

Исходя из вышеописанного в таблице 5.2 приведена характеристика помещений
по взрывопожароопасности.

Таблица 5.2

Какие помещения могут представлять угрозу в результате взрыва

5.3 Меры предосторожности, гарантирующие безопасность производства.

Так как в дипломной работе рассматриваются вопросы улучшения возможности
учета газа, то, следовательно, необходимо рассмотреть правила и требования,
которые необходимо соблюдать, чтобы избежать воздействия вредных и опасных
производственных факторов, возникающих при монтаже и эксплуатации
рассматриваемой автоматизированной установки.

События, относящиеся к мерам безопасности узлов.

В целях снижения опасности и вредности производства при монтаже и
эксплуатации установки, где установлены приборы и средства автоматизации,
предусматриваются в соответствии с РД 08-200-98 следующие мероприятия:

к работам по монтажу и эксплуатации указанных выше приборов допускаются
лица, прошедшие инструктаж и сдавшие экзамен по технике безопасности, персонал
проходит инструктаж (вводный, инструктаж на рабочем месте, специальный). После
прохождения инструктажа сдаются экзамены (первичный, периодический,
внеплановый);

изготовление и сооружение пунктов учета газа и конденсата, обеспечивающих
гарантированную безопасность их эксплуатации и обслуживания;

проведение профилактических работ и операций для предотвращения различных
аварийных ситуаций;

запрещение тех или иных работ, действий, применения приспособлений и
устройств, которые могут представлять потенциальную опасность;

выполнение операций по управлению запорной арматурой, различных
манипуляций с трубопроводной арматурой в последовательности, обеспечивающей
безопасность всех работ на пунктах учета газа;

Полная герметизация технологического процесса

оборудование, арматура и трубопроводы по техническим характеристикам
обеспечивают безопасную эксплуатацию объектов;

вторичные приборы и устройства обработки информации в нормальном
исполнении вынесены за пределы взрывоопасной зоны и размещены в существующей
операторной;

расстояния между сооружениями приняты в соответствии с требованиями
действующих норм и правил;

средства автоматизации и электроаппаратура в нормальном исполнении
размещены за пределами взрывоопасной зоны;

защита от статического электричества и молниезащита обеспечивают
безопасную эксплуатацию оборудования, электроустановок, приборов и щитов;

технологическая последовательность одних производственных операций не
является источником опасности при выполнении последующих;

для индивидуальной защиты обслуживающего персонала предусмотрены основные
и вспомогательные изолирующие средства. Исправность защитных средств
проверяется перед каждым их применением, а также через каждые 6-12 месяцев.
Изолирующие средства подвергаются периодическим электроиспытаниям;

для защиты обслуживающего персонала от поражения электрическим током
предусмотрено заземление электрооборудования. Сопротивление заземления не более
4 Ом;

применение автоматизированной системы управления позволяет осуществлять
дистанционное управление процессом измерения необходимых параметров
характеризующих свойства нефти (открывать и закрывать задвижки, включать и
выключать насос). На токоведущих частях средств автоматизации работы
производить при отключенном напряжении сети.

Мероприятия по пожарной безопасности

Электрооборудования для взрывопожарных объектов должно быть
взрывозащищенным по ГОСТ 12.2.020-76. Контрольно-измерительные устройства и
приборы описанные выше, имеют взрывобезопасный уровень взрывозащиты, вид
взрывозащиты – «взрывонепроницаемая оболочка», маркировку взрывозащиты –
1Ех42ВТ4 и предназначены для применения во взрывоопасных зонах.

Строго запрещается пользоваться открытым огнем на пожарных объектах.
Огневые работы проводятся по специальному разрешению – наряду – допуску для
проведения огневых работ при тщательной подготовке.

Ремонт электропроводок, электрооборудования, а также замену в
светильниках электроламп в помещении узла учета газа следует проводить только
при снятом напряжении при наличии наряда – допуска. Одновременно должны
вывешиваться на устройства предупреждающие плакаты о том, что линия или участок
обесточены и на них ведутся ремонтные работы.

Устройства защиты узла учета газа от прямых ударов молнии, вторичных
проявлений молний и разрядов статического электричества необходимо постоянно
держать в технически исправном состоянии, проверять их в установленные сроки не
реже одного раза в год.

Каждый оператор должен не только сам строго соблюдать правила пожарной
безопасности, но и следить за тем, чтобы эти правила соблюдали другие.
Необходимо поддерживать чистоту и немедленно удалять остатки пролитых горючих
веществ (конденсата, ингибиторов и др.). Персонал пунктов учета должен знать и
уметь пользоваться всеми средствами пожаротушения.

При возникновении пожара необходимо срочно сообщить в пожарную охрану,
отключить опасный участок от источников газа и конденсата, принять активное
участие в ликвидации пожара. Тушение пожара основано на устранении причин
горения. Во-первых, необходимо прекратить поступление газа, конденсата или
ингибиторов в очаг горения.

Для этого немедленно перекрывают все краны и
задвижки. Механическим воздействием (струями воды, песком) отрывают пламя от
очага горения и вводят в эту зону обильное количество пены. Особенно эффективно
тушение пожара пенообразующими веществами. Пены надежно и надолго изолируют
горючие вещества от доступа кислорода.

При незначительном очаге возгорания операторы в состоянии самостоятельно
прекратить пожар. Для этого перекрывают все линии подачи газа и конденсата и
немедленно сбивают или накрывают пламя кошмой, песком или направляют струю пены
от ручного огнетушителя.

Ниже приведено запрещено на свойство узела измерения газа:

проводить газоопасные работы без выполнения всех подготовительных
мероприятий и работ, предусмотренных нарядом – допуска и инструкциями по
рабочим местам;

применять некалиброванные предохранители для защиты электросетей, а также
прокладывать временные электросети;

осуществлять сушку спецодежды и других предметов на приборах центрального
отопления и газовых помещений;

Работайте в обуви, используя при этом медный инструмент и стальные подковы;

загромождать проходы и выходы в помещениях, а также подступы к первичным
средствам пожаротушения и к наружным стационарным лестницам;

применение средств индивидуальной защиты органов дыхания и длительности
работы не отвечающим требованиям стандартов и технических условий и т.п.;

пользоваться незаземленным оборудованием в соответствии с технической
документацией.

Мероприятия по промышленной санитарии

Мероприятия по промышленной санитории выполняются всоответствии
со СНИП 2.09.04-87.

На узле предусматривается рабочее и аварийное освещение. Напряжение сети
аварийного и рабочего освещения равно 220В. для и рабочего освещения
предусмотрены светильники с лампой накаливания ВЗГ-200 (взрывозащищенное
исполнение) в соответствии со СНИП-23-05.95 Е=50 Лк. Естественное освещение
предусмотрено через оконные проемы.

Вентиляция запроектирована приточно-вытяжная с механическим побуждением;
кратность воздухообмена 15. Приточная вентиляция предусмотрена с помощью подачи
воздуха в верхнюю зону воздухораспределителями эжекционного типа ВЭПМ. Вытяжная
механическая вентиляция осуществляется из нижней зоны в объеме 2/3 oт общего воздухообмена, естественная
– из верхней зоны в объеме 1/3 воздухообмена.

Отопление здания узла осуществляется нагревательными приборами,
обеспечивающих создание в рабочей зоне температуры 18 оС. В качестве
нагревательных приборов используются наборы ТЭНов.

.4 Расчет вентиляции в измерительном помещении

Производственная вентиляция на узле учета газа – это система
санитарно-технических устройств и сооружений для удаления производственных
вредностей и создание в рабочей зоне воздушной среды, отвечающей гигиеническим
требованиям. Требования к производственной вентиляции изложены в документах
ГОСТ 12.1.005-88 и СН 245-71.

Для расчета вентиляции возьмем следующие исходные данные:

) объем помещения, Vп=245
м3;

Суммарный объем аппаратуры, Vа=49 м3.

Мы рассчитываем количество воздушного обмена для него, используя формулу.

V=Vп-Vа,(5.1)

V=245-49=196
м3

Как вычислить необходимый воздухообмен с помощью формулы

L=K×V,(5.2)

где К=15 – кратность воздухообмена, то есть сменяемость воздуха (число
полных смен) в объеме помещения за 1 час;

L=15×196=2940 м3/ час

По необходимому воздухообмену и кратности воздухообмена подбираем
вентилятор, который удовлетворяет рассчитанным данным: L=2940 м3/ час и К=15.

К производственной вентиляции рассчитанной выше предъявляются следующие
требования:

производственная вентиляция не должна быть источником дополнительной
опасности и вредности;

Техногенная вентиляция должна быть взрывобезопасной;

Производство должно быть экономичным.

.5 Меры по обеспечению региональной экологической безопасности

В процессе учета газа на узле, вредные выбросы незначительны. Но есливсе
же выбросы имеют место, они представляют большую опасность.

Сброс утечек, дренаж и аварийное опорожнение аппаратов и оборудования
предусмотрены в специальные емкости. Разлившиеся при аварии жидкости через
сливные краны второго яруса сливаются в аварийную емкость.

Промышленные стоки собираются в емкости с последующей подачей на
сжигание.

Трубопроводы, соединяющие оборудование с атмосферой, выведены на высотную
отметку 14 метров, что обеспечивает рассеивание паров и газов в атмосфере.

Охлаждение оборудования в закрытых системах осуществляется с помощью систем с замкнутым циклом.

С целью предотвращения загрязнения окружающей среды на узле учета газа
предусмотрены следующие мероприятия:

технологические процессы на узле учета газа, непрерывны и полностью
герметизированы;

для своевременного обнаружения утечек газа предназначены газоанализаторы
ГАЗ-1М и сигнализатор ЩИТ -2;

технические а также аварийные сбросы попутного нефтяного газа
направляются на факел по закрытой системе трубопровода;

утечки и переливы из емкостей, аппаратуры по закрытой дренажной системе
сбрасываются в приемную резервуара с последующей перекачкой в рабочий цикл или
направляются на сжигание;

все оборудование и коммуникации снабжены необходимой аппаратурой.
Запорная арматура соответствует первому класса ГОСТ 9544-60.55.

Средства автоматизации, а именно система автоматического контроля и
управления играет важную роль в охране окружающей среды. Система позволяет
уменьшить время устранения аварийных ситуаций, что уменьшает выбросы вредных
веществ и их паров уменьшает вред наносимый окружающей среде.

В ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Анализ существующего уровня развития расходомеров показал их широкое
применение в различных областях промышленности.

В дипломной работе предложено использовать ультразвуковой расходомер
УРСВ-010М “Взлет РС” (Россия) или его аналог, ультразвуковой расходомер
Panametrics “TransPort PT868-R”
(США).

Для визуального контроля за расходом продукта для вышеуказанных
расходомеров имеется возможность графического отображения необходимой
информации на мониторе компьютера.

В работе подробно рассмотрены одноканальные и двухканальные
ультразвуковые расходомеры и различные способы реализации их электронных
блоков.

https://www.youtube.com/watch?v=GJS5Qt4EjKY

Рассмотрены требования, предъявляемые к безопасности и экологичности на
узле учета. Приведен расчет вентиляции узла учета. Рассмотрены вопросы
экологической безопасности, а так же приведен перечень мероприятий по их
обеспечению.