Размещено на http://www.allbest.ru/

РЕФЕРАТ

Пояснительная записка 85 с, 16 рисунков, 10 таблиц, 10 источников, 2 приложения.

ультразвуковые расходомеры, преобразователи электроакустические, погрешность, расчет, безопасность узла учета

В дипломной работе произведен анализ существующих ультразвуковых расходомеров, проанализирована работа различных схем.

Выявлены перспективные варианты. Определены их предельные возможности и области их применения.

Произведена оценка экологичности и безопасности работы.



содержание

Введение

1. Анализ ультразвуковых расходомеров

1.1 Кустовая насосная станция как объект автоматизации

1.2 Ультразвуковые расходомеры. Принцип действия

1.3 Вибраторы ультразвуковых расходомеров

1.4 Ультразвуковые фазовые расходомеры

1.5 Ультразвуковые частотные расходомеры

1.6 Ультразвуковые время - импульсные расходомеры

1.7 Ультразвуковые расходомеры со сносом излучения

1.8 Ультразвуковые расходомеры для измерения массового расхода

2. Патентная проработка

3. Перспективные разработки ультразвуковых расходомеров

3.1 Ультразвуковой расходомер Panametriсs "TransPort PT868-R"

3.2 Ультразвуковой расходомер УРСВ-010М "ВЗЛЕТ РС"

4. Анализ метрологических характеристик

4.1 Источники погрешностей

4.2 Расчет методической погрешности измерения расхода

4.3 Программа расчета погрешностей

4.4 Блок- схема алгоритма вычисления погрешностей

5. Безопасность и экологичность работы

5.1 Характеристика производственной среды и анализ производственных опасностей и вредностей

5.2 Классификация помещений по взрывопожароопасности

5.3 Мероприятия по обеспечению безопасности производства

5.4 Расчет вентиляции в помещении узла замера

5.5 Мероприятия по обеспечению экологической безопасности

Заключение

Список использованных источников

Приложение А. Перечень демонстрационных листов

Приложение В. Предельные относительные погрешности



ВВЕДЕНИЕ

Важнейшим условием повышения производительности и экономичности промышленных агрегатов является широкое внедрение автоматизированных систем контроля и управления.

Одним из условий эффективного использования этих систем является повышение точности входящих в них контрольно-измерительных приборов, в том числе расходомеров. Метрологические требования к последним становятся более жесткими также в связи с возрастающим потреблением промышленностью кислорода и природного газа.

Для удовлетворения этих требований необходимо изыскание, изучение и практическое использование аппаратурных и методических путей повышения точности измерения расхода.

Для измерения расхода наряду с ультразвуковыми расходомерами применяются тахометрические, массовые, тепловые, силовые расходомеры, расходомеры обтекания, расходомеры переменного перепада давления и т. д.

Акустический метод измерения расхода жидкостей и газов основан на том, что скорость распространения ультразвуковых колебаний в движущейся среде относительно выбранной системы отсчета определяется геометрической суммой скорости ультразвуковых колебаний с в среде и скоростью среды . По измеренному значению суммарной скорости при известном значении с определяется величина . Таким образом, в основе метода лежит смещение ультразвуковой волны измеряемой средой в направлении ее движения.

Практическое применение метода осложняется рядом присущих ему негативных факторов. Это, во-первых, зависимость собственной скорости ультразвуковых колебаний от физико-химических свойств измеряемой среды (температура, давление, концентрационный состав). Во-вторых, зависимость результата измерения скорости среды от числа Рейнольдса (при измерении скорость потока усредняется вдоль ультразвукового пучка, а не по сечению трубопровода), и, в-третьих, скорость распространения ультразвуковых колебаний много больше скорости движения измеряемой среды (на два-три порядка по отношению к скорости транспортировки жидкости по трубопроводам, используемой в промышленности).

Однако ультразвуковые расходомеры, являющиеся технической реализацией акустического метода, все шире используются в металлургической, нефтехимической и других отраслях промышленности, что связано с их достоинствами, к которым относятся:

- отсутствие перепада давления на первичном преобразователе;

- высокое быстродействие, что позволяет измерять пульсирующие потоки с большой частотой пульсаций;

- возможность работать на жидкостях с любой вязкостью, а также криогенных и неэлектропроводных жидкостях /1/.

В данной дипломной работе рассматриваются ультразвуковые расходомеры применяемые для измерения расхода жидкости, газа и пара.



1 АНАЛИЗ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ РАСХОДОМЕРОВ

1.1 Кустовая насосная станция как объект автоматизации

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.

Рисунок 1.1 - Схема кустовой насосной станции

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

Классификация ультразвуковых расходомеров приведена на рисунке 1.3.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 1.3 - Классификация ультразвуковых расходомеров

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 х или расход потока.

Время ₁ прохождения звуковым колебанием расстояния между излучателем и приемником

₁=,(1.1)

где L - расстояние между излучателем и приемником, м;

с - скорость звука в данной среде, м/с;

х - скорость или расход потока, м/с.

При распространении колебаний против скорости потока имеет место обратное явление замедление распространения, также пропорциональное скорости потока. В этом случае время ₂ прохождения звуковым колебанием расстояния против скорости потока определяется по формуле

₂=,(1.2)

Так как величина отношения весьма мала по сравнению с единицей, особенно для жидкостей, где с приблизительно равен 1000…1500 м/с, a х обычно не превосходит 3…4 м/с, то с большой степенью точности можно написать

₁=,(1.3)

₂=.(1.4)

Однако основывать ультразвуковые расходомеры только на измерении ₁ и ₂ 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 х на времена ₁ или ₂ весьма мало по сравнению с влиянием скорости с. Иными словами полное изменение х от нуля до х_max очень мало изменяет величины ₁ и ₂ (менее чем на 1 %).

Положение резко улучшится, если построить прибор, который реагировал бы на разность времени ₁ и ₂

Из (1.3) и (1.4) получим

=₂ - ₁=.(1.5)

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.

Имеется несколько путей выявления разности времени для определения скорости х:

- 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 х, который основан не на выявлении разности времен , 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.

Достоинства 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;

- принципиальная возможность измерения расхода 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;

- зависимость показаний 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.

1.3 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 2, который определяется выражением

sin =,

где f - частота колебаний;

D - диаметр излучателя.

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

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

f_d = для кварца,

f_d = для титаната бария,

где - 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. В равной мере они не подходят для загрязненных жидкостей и пульп, так как, если длина ультразвуковой волны одного порядка с размером частиц, находящихся в измеряемой среде, то энергия колебаний будет рассеяна или поглощена.

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 2 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.

Размещено на http://www.allbest.ru/



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 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. Для обеспечения плотного контакта между излучателем и звукопроводом торец последнего промасливается. На обе торцовые поверхности излучателя наносится распыленный слой металла.

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; 11 - звукопровод пьезоэлемента через пружинный контакт 8, размещенный в узком пазу на торцовой поверхности звукопровода 11.

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.

1.3 Ультразвуковые фазовые расходомеры

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

=,

Подставляя вместо его значение из уравнения (1.5), получим

,(1.6)

где = 2f -- круговая частота колебаний.

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

=,(1.7)

Очевидно, формула (1.6) есть частный случай формулы (1.7) при угле = 0°.

При распространении ультразвуковых колебаний под углом . 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 . Тогда уравнение (1.7) принимает вид

=.(1.8)

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. Последние подаются на фазометр 6. Одновременно генератор 3 непрерывно подключен ко второму усилителю 5 (также с ограничительным каскадом), прямоугольные колебания от которого также поступают на фазометр 6.

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 ,

и колебаниями, поступающими к воспринимающему вибратору 1

E₁ = kA sin ( - ₁),

где k - коэффициент затухания амплитуды колебаний;

А - амплитуда ультразвуковых колебаний;

- круговая частота ультразвуковых колебаний;

₁ - время прохождения колебаниями расстояния между вибраторами.

Очевидно, эта разность фаз ₁ равна

₁= -( -₁)=,

Чем больше сдвиг фаз ₁, тем меньше период времени, в течение которого через фазометр проходит ток I_Ф, и тем меньше среднее значение тока I_А 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 ₂ колебаний, поступающих на фазометр 6, будет

₂=₂= ,

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

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. Прибор на выходе измеряет средний ток этих импульсов. Предел шкалы построенного прибора равен 150 см/с. Погрешность ± 1 % от предела шкалы.

Недостатками обеих рассмотренных схем являются:

- 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. После нее колебания с частотой 2,1 МГц поступают на пьезоэлементы из титаната бария, собственная частота которых равна 2,2 МГц.

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. При этом положительный импульс открывает каскад удвоения и тем вводит пьезоэлементы в режим излучения, а в это же время отрицательный импульс запирает приемные усилители.

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.

Рисунок 1.9 - Схема двухканального фазового расходомера

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 между колебаниями, прошедшими по потоку и против него. Оно равно 2U₀cos и (U₀ -- 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 ₁ и ₂, 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 ₁ и ₂, а только их части - меньшие 2.

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. Измеряемая прибором разность частот полученных колебаний оказывается прямо пропорциональной скорости или расходу жидкости.

Блок-схема подобного расходомера показана на рисунке 1.10.

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 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 =. Аналогично время Т2 прохождения колебаний между вибраторами И2 и П2 равно Т2 =. Как только первые колебания, поступающие на приемные вибраторы П1 и П2, и затем проходящие через

усилители У1 и У2 и детекторы Д1 и Д2, достигнут модуляторов M1 и М2, последние, работающие в триггерном режиме, запирают проход колебаний от генератора к вибраторам И1 и И2, и излучение ультразвуковых колебаний прекращается. Оно возобновляется в те моменты, когда последние ультразвуковые колебания первых пакетов достигнут приемных вибраторов П1 и П2 и генерация последними электрических колебаний прекратится. В эти моменты модуляторы М1 и М2 вновь открывают проход электрических колебаний от генератора к излучателям И1 и И2 и процесс повторится. Легко видеть, что время работы и время «молчания» вибраторов И1 и П1 будет равно Т1, а время работы и время «молчания» вибраторов И2 и П2 будет равно Т2. Частота первого цикла f1будет очевидно равна , а второго f2 будет равна . Таким образом, на вход смесительного каскада СМ поступают два колебательных процесса: один с частотой f1 и второй с частотой f2. На выходе каскада получаем разность частот f1- f2 имеющую следующее значение

f1- f2=.

Весьма ценным является то, что разность частот (f1- f2) прямо пропорциональна скорости потока х 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 , 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.

1.5 Ультразвуковые время - импульсные расходомеры

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



=,

из которой следует, что прямо пропорционально скорости потока х. Однако величина 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 определяется уравнением tg = , а линейное отклонение у приемных вибраторов х = d = d(). При скорости потока х равным нулю оба приемных вибратора получают равное количество энергии. С повышением скорости количество энергии, поступающее на вибратор 3, увеличивается, а на вибратор 2 уменьшается. Сигналы с вибраторов 2 и 3 поступают на дифференциальный усилитель 4, сравнивающий интенсивности двух поступающих сигналов. Возможны и другие методы измерения величины отклонения ультразвуковых колебаний скоростью потока. С помощью приборов данного типа трудно получить высокую точность измерения, поскольку величина отклонения х очень мала особенно при измерении расхода жидкости. Так, при d= 100 мм, х = 1,5 м/с и с = 1500 м/с имеем х = 0,1 мм.

Применение данных приборов для газа более оправдано, поскольку здесь скорости х больше, чем у жидкости, а скорость с, наоборот, меньше. Здесь при d= 100 мм, х= 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. Примерно после десяти отражений ультразвуковой импульс затухает и производится излучение нового импульса. Подобный прибор был построен для трубы диаметром 200 мм на расходы воды до 360 м³/ч.

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.

1.7 Ультразвуковые расходомеры для измерения массового расхода

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 с (при условии, что последнее много меньше сопротивления генератора), где плотность среды. Умножая это напряжение на напряжение, развиваемое схемой фазового расходомера, получим

с,

где - плотность среды;

k -- коэффициент пропорциональности.

Таким образом, показания будут пропорциональны массовому расходу (х), 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.

Рисунок 1.13 - Схема частотно-пакетного массового расходомера

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

kхckх.

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 с, чтобы сразу получить весовой расход. Действительно

D,

где D -- постоянная величина.

Элементы, необходимые для получения напряжения, пропорционального с, 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.



2. ПАТЕНТНАЯ ПРОРАБОТКА

2.1 Выбор и обоснование объекта патентного поиска

В дипломной работе поставлена задача анализа ультразвуковых расходомеров. В рассматриваемый ультразвуковой расходомер входят электроакустические преобразователи и электронный блок. Для оценки новизны разработки при проведении патентных исследований основное внимание было уделено перечисленным блокам.

2.2 Регламент патентного поиска

Патентный поиск проводился с использованием фонда УГНТУ только по источникам патентной документации России из-за отсутствия иностранных бюллетеней.

Поскольку ультразвуковой способ измерения расхода развивается, была выбрана глубина поиска 5 лет (1996-2000 гг.).

Поиск производился по индексу МПК G 01 F 1/66 "Измерение частоты, фазового сдвига, времени распространения электромагнитных или других волн".

При этом были использованы следующие источники патентной информации:

1) документы справочно-поискового аппарата;

2) полные описания к патентам России;

3) "Бюллетень изобретений" (1996-2000 гг.).

2.3 Результаты поиска

Результаты просмотра источников патентной информации приведены в таблице 2.1.

Таблица 2.1

Результаты патентного поиска

Страна	Индекс МПК	№№ просмотренных патентов	Выявленные аналоги
Россия	G 01 F 1/66	Патенты №№ 2051547 - 2161385	2064164 "Способ определения расхода" 2064165 "Ультразвуковой расходомер" 2106602 "Ультразвуковой расходомер" 2106603 "Ультразвуковой расходомер" 2101681 "Акустический расходомер" 2160887 "Ультразвуковой расходомер"

2.4 Анализ результатов патентного поиска

Анализ просмотренных материалов показал следующее.

Большинство авторских свидетельств и патентов, касающихся ультразвуковых расходомеров, защищает различные способы расположения преобразователей и построения схем электронных блоков.

Найденные схемы ультразвуковых расходомеров реализуют способ определения расхода, включающий излучение и прием ультразвукового сигнала, образование синхроколец и измерение их частот при зондировании по и против потока.

Рассмотрим более подробно аналоги, перечисленные в таблице 2.1. Среди них много ультразвуковых расходомеров содержащих два обратимых электроакустических преобразователя (патенты №№ 2064165, 2101681, 2106602). В последних разработках встречается использование микропроцессорного управления (патент № 2160887). В патенте № 2106603 наряду с двумя диаметрально расположенными преобразователями используется третий преобразователь. Оригинальная схема предложена в патенте № 2064164, где предусматривается измерение времени прохождения ультразвукового сигнала в электрических цепях.

Таким образом, проведенный патентный поиск показал необходимость и перспективность выбранного направления работы, что доказывается большим количеством патентов.

3. ПЕРСПЕКТИВНЫЕ РАЗРАБОТКИ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ РАСХОДОМЕРОВ

3.1 Ультразвуковой расходомер Panametrics "TransPort PT868-R"

TransPort модель PT868-R представляет собой времяимпульсный и зондирующий ультразвуковой расходомер, сочетающий все возможности стационарного расходомера с ранее недоступными характеристиками. Transport это единственный расходомер с двумя методами измерения расхода: времяимпульсным и зондирующим TransFlection /9/.

При использовании стандартного времяимпульсного метода Transport измеряет акустически проводящие однофазные жидкости, в которых возможно наличие второй фазы. К ним относится большинство чистых жидкостей, сточные воды, некоторые суспензии, некоторые водонефтяные смеси и жидкости с небольшим процентным содержанием растворенных газовых пузырьков. Зондирующий TransFlection метод применяется для измерения расходов многофазных жидкостей с сильным затуханием акустических колебаний, таких как нефтеносные пески, сточные воды, пульпы, жидкости с высоким удержанием пузырьков газа.

Расходомер обеспечивает линейный (4-20 мА или 0-20 мА) аналоговый выход скорости течения или объемного расхода этих жидкостей, измеряя скорости в диапазоне от ±(0,3 - 9) м/с.

Диапазон измерений становится от минус 4,6 до плюс 4,6 м/с если активизирован зондирующий метод измерений.

ТransPort также обеспечивает два аналоговых входа (4-20) мА для подсоединения температурных датчиков с целью измерения потока энергии, переносимого жидкостями.

Transport имеет возможность сохранять данные по не более чем 20 объектам в файлах, к которым затем можно получить доступ. Transport имеет управляемую с помощью меню программу, которая запрашивает у вас все необходимые установочные данные для данного объекта. По завершении ответов на эти вопросы вы просто сохраняете информацию в файле.

Transport хранит эти файлы и другие данные в постоянной памяти даже при выключенном питании. Сам расходомер работает от перезаряжаемой батареи (от 3 до 10 часов в зависимости от используемого метода измерений) или от сети.

Этот небольшой легкий расходомер выдает результаты измерений как в цифровой, так и в графической форме на экран. Transport также имеет возможность внутреннего журналирования более 40000 значений данных.

Transport может пересылать или печатать журналированные данные так же, как и данные, получаемые в реальном масштабе времени и другие хранящиеся данные, используя коммуникационный порт RS232.

Для удобства Transport имеет окно помощи, получить доступ к которому можно в любой момент времени, нажав клавишу Help. Transport также имеет внутренние возможности диагностики и отыскания неисправностей, что позволяет выявить и устранить проблемы, возникающие в измерительном участке и преобразователе.

Transport работает со всеми стандартными преобразователями Panametrics - стационарными (смачиваемыми), накладными, гибридными (Раn-Adapta plug) и буферных типов, равно как и со всеми стандартными потоковыми ячейками Panametrics: осевой, зигзаговой, наклонного диаметра и среднего радиуса.

Transport также имеет встроенное ультразвуковое устройство измерения толщины для определения толщины стенки трубы при использовании с дополнительным преобразователем толщины.

3.1.1Описание системы

Transport представляет собой одну из частей системы расходомера. Расходомер состоит из двух главных подсистем: потоковой ячейки и электронного устройства.

3.1.1.1 Потоковая ячейка. Потоковая ячейка - это та часть системы, где происходит зондирование потока ультразвуковым импульсом. Потоковая ячейка состоит из трубы и преобразователей. Потоковая ячейка может быть создана в существующем трубопроводе (например, путем введения стационарных (смачиваемых) преобразователей внутрь трубы или укрепления накладных (несмачиваемых) преобразователей на трубе) или вставлена вместо участка трубы.

Потоковая ячейка должна содержать механическую систему установки преобразователей и обеспечивать стабильные условия течения для точного измерения потока.

В цикле передачи преобразователи конвертируют электрическую энергию в ультразвуковой импульс, а в цикле приема осуществляют обратное преобразование ультразвукового импульса в электрическую энергию. В системе Transport каждый преобразователь работает поочередно как приемник и передатчик по мере того, как последовательность ультразвуковых импульсов посылается через потоковую ячейку вверх и вниз по течению.

3.1.1.2 Электронное устройство. Электронное устройство состоит из схем, которые генерируют, принимают и меряют время распространения ультразвуковых импульсов. Оно содержит также микрокомпьютер, контролирующий операции и вычисляющий параметры измерений потока. Отдельные схемы имеют следующие функции:

- генератор испускаемого сигнала синтезирует сигнал, управляющий передатчиком. Он контролируется микрокомпьютером и схемой таймера;

- передатчик усиливает сигналы от генератора испускаемого сигнала до уровня, необходимого для управления передатчиком преобразователя;

- приемник усиливает полученные сигналы до уровня, необходимого для работы схемы получения данных;

- схема получения данных оцифровывает полученный сигнал и сохраняет его в буфере для обработки микрокомпьютером;

- схема таймера генерирует частоту передатчика, открытие "окна" приемника, контролирует схему получения данных и направления распространения;

- микрокомпьютер контролирует функционирование расходомера Transport и вычисляет измеренные характеристики потока по излучаемому и оцифрованному полученному сигналу. Кроме того, микрокомпьютер постоянно контролирует сбои и позволяет использовать встроенную диагностику неполадок;