- схема ввода/вывода позволяет получить измеренные величины в виде токов в диапазоне от 4 до 20 мА или от 0 до 20 мА и произвести вывод на принтер или внешнее устройство;

- плата DSP позволяет быстро обрабатывать большие объемы, данных, необходимые для измерения зондирующим методом.

3.1.2 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). Transport использует различные способы цифровой обработки сигналов, включая кросс-корреляцию, для определения разницы времени распространения и использует их для вычисления скорости потока.

3.1.2.2 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. Transport измеряет разницу времени прохождения сигнала к движущимся объектам и от них в каждой "картинке". Разница времени (Тm) используется для вычисления скорости потока.

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.

3.1.2 Принцип действия ультразвукового датчика толщины

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. Измерительные устройства запрограммированы на скорость звука в тестируемом материале и вычисляют толщину стенки по простой формуле

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.

Факторы, влияющие на выполнение операций и 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. Существует сложная ультразвуковая техника, использующая сфокусированные иммерсионные преобразователи, способные измерять непосредственно от дна до внутренней стенки, но она обычно неприменима для полевых работ.

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 других материалах скорость звука быстро меняется с температурой. Это типично для пластических веществ, в которых для обеспечения максимальной точности температура должна контролироваться;

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.

3.2 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:

- накладные (устанавливаются на наружную стенку трубопровода без его вскрытия) герметичные;

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

Расходомер предназначен для установки на трубопроводы диаметром D_У от 10 до 4200 мм.

Расходомер выполняет измерение и индикацию значений следующих параметров:

- 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;

- времени работы в штатных/нештатных 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:

- 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 расходомера

Таблица 3.1

Технические характеристики расходомера

Наименование параметра	Значение параметра
1	2
Диаметр условного прохода, Dy, mm : - накладные ПЭА - врезные ПЭА	любой из диапазона 50-4200 любой из диапазона 10-4200
Измеряемый средний объемный расход жидкости, м3/ч -наименьший, QV MAX -переходный, QV П -наибольший, QV MIN	Определяется в зависимости от Dy (мм) 0,0002 DУ2 0,001 DУ2 0,028 DУ2
Температура измеряемой жидкости,°С	минус 70-плюс 220
Наибольшее давление в трубопроводе, МПа	2,5
Наибольшая длина сигнального кабеля между ВП и ПЭА,м	100
Скорость передачи информации по RS связи, кБод	1.2; 2,4; 4,8; 9,6; 19,2
Средний срок службы, лет	12

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. При этом амплитуда выходного импульса составляет не менее 4 В на нагрузке не менее 1 кОм. Работают оба выхода одновременно.

Предусмотрена возможность установки с клавиатуры расходомера двух режимов работы:

- с периодом следования импульсов 10 мс (при скважности 2);

- с периодом следования импульсов 200 мс (при скважности 2).

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

Номинальная статическая характеристика расходомера по импульсному выходу

V = NК,

где V - объем воды, измеренный за интервал времени Т, м³;

N - 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=Q_MAX Tи/3600,

где Ти - установленный период следования импульсов, с.

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.

Выход активен в диапазоне расходов

Q_VMIN <Q_V <Q_VMAX,

где Q_V - значение среднего объемного расхода жидкости, м³/ч;

Q_VMAX - наибольший измеряемый средний объемный расход жидкости для данного типоразмера расходомера, м³/ч;

Q_VMIN - минимальное значение измеряемого расхода, устанавливаемое пользователем, м³/ч.

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

- от 0 до 5 мА при нагрузке не более 1,5 кОм;

- от 0 до 20 мА при нагрузке не более 250 Ом;

- от 4 до 20 мА при нагрузке не более 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 погрешности при выводе измеренных значений

Измеряемый параметр	Относительная погрешность измерения, %
Средний объемный расход, объем, жидкости в диапазоне расходов: QV MIN - QV П QV П - QV MAX	± 4,0 ±1,5

3.2.2 Устройство и работа расходомера и его составных частей

3.2.2.1. 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. Возбуждение зондирующих импульсов производится первичными электроакустическими преобразователями, устанавливаемыми на трубопровод с измеряемым расходом.

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=2nvDtg/c²+t _3,

где

T1,T2=,

T1 - полное время распространения УЗС по потоку жидкости;

T2 - 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;

D - внутренний диаметр трубопровода;

,с - угол и скорость распространения УЗС в неподвижной жидкости;

v - скорость жидкости, усредненная вдоль ультразвукового луча;

t_СТ, t_ЗВ - дополнительная задержка УЗС в стенках трубопровода, звукопроводах ПЭА и электронном тракте при распространении УЗС по потоку и против потока жидкости.

3.2.2.2 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=NT1,

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/(мксч).

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.

Объем жидкости V за интервал времени Т рассчитывается по формуле

Формирователь импульсных выходов (ФИВ) служит для преобразования результата измерения в импульсные сигналы.

Формирователь токового выхода (ФТВ) предназначен для преобразования результатов измерения в унифицированный токовый сигнал (I+, I-).

Формирователь сигналов последовательного интерфейса (ФСПИ) предназначен для преобразования сигналов в уровни интерфейсов RS232 и RS485.

Релейный выход предназначен для коммутации внешней цепи сигнализации постоянного тока.

3.2.2.3 Конструкция расходомера. Накладные ПЭА, внешний вид которых показан на рисунке 3.3, выполнены в сплошном корпусе с нижней гранью 2, являющейся излучающей поверхностью. На боковой поверхности корпуса нанесена риска 3 акустического центра ПЭА. Корпус полностью герметизирован заливкой термостойкого электроизоляционного компаунда. На конце коаксиального радиочастотного кабеля ПЭА 1, жестко закрепленного в корпусе и выполненного длиной не менее 1,5 м, установлен разъем для его подключения к линии связи со вторичным преобразователем.

Рисунок 3.3 - Внешний вид накладного ПЭА

Взрывозащищенное исполнение ПЭА предусматривает выполнение соединения ПЭА без разъема в соединительной коробке взрывозащищенного исполнения или другим способом, удовлетворяющим соответствующим требованиям правил ПУЭ.

автоматизированный ультразвуковой расходомер метрологический



4. АНАЛИЗ МЕТРОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК

4.1 Источники погрешностей

Имеется ряд причин, которые могут вызвать появление погрешностей показаний в ультразвуковых расходомерах. Основными среди них являются:

- зависимость показаний от профиля скоростей или числа Рейнольдса Re;

- изменение скорости распространения ультразвука в среде вследствие изменения ее параметров -- давления и температуры, а также и ее концентрации;

- влияние реверберации -- многократного отражения ультразвукового луча;

- погрешности, вносимые электронной измерительно-преобразовательной схемой.

В двухлучевых приборах, кроме того, могут возникать погрешности из-за неодинаковости обоих электронно-акустических каналов расходомера. С другой стороны, и в однолучевых приборах, работающих с поочередным излучением, возможны погрешности из-за акустической не симметрии условий прохождения ультразвука по потоку и против него.

Зависимость показаний ультразвуковых расходомеров от числа Re является следствием того, что эти приборы измеряют не среднюю скорость потока по сечению трубы, а среднюю скорость по линии ультразвукового луча. Последний направляется либо параллельно оси трубы, либо под углом к ней. В первом случае измеряется местная скорость, совпадающая с траекторией движения ультразвукового луча; так, если последний движется по оси трубы, то и измеряться будет осевая скорость жидкости. Соотношение между средней _с и осевой _max скоростями зависит от числа Re. При ламинарном движении =0,5 при турбулентном движении это отношение растет с увеличением Re

=0,77(при Re = 510³),

=0,87(при Re = 510⁶).

В случае направления ультразвукового луча под углом к оси трубы будет измеряться уже не местная скорость потока, а скорость х_D, осредненная по диаметру трубы, причем соотношение между х_D и средней скоростью по сечению х_C не зависит от угла наклона луча, а определяется только числом Re. При ламинарном движении =0,75. При турбулентном движении связь между х_C и х_D определяется уравнением

=1+0.442,

где - коэффициент сопротивления трубы.

Для гладких труб

= 0,0032 + 0,221 Re^-0.237.

Из этого уравнения получается = 0,925 при Re =5 10³ и =0,961 при Re =5 10⁶. Таким образом, для расходомера с ультразвуковым лучом, пересекающим поток под некоторым углом , поправочный коэффициент значительно ближе к единице и величина его меньше меняется, чем для расходомера с лучом, параллельным оси трубы. В первом случае при десятикратном изменении расхода в турбулентной области величина меняется всего на ±0,65 % от среднего значения, во втором же случае соответствующее изменение расхода меняет на ±1,65 %.

Из сказанного следует, что показания ультразвуковых расходомеров хотя и сравнительно незначительны, но зависят от профиля скоростей. Поэтому желательно иметь прямолинейные участки трубы до и после того места, где установлены пьезоэлементы.

Изменение плотности и состава среды вызывает изменение скорости ультразвука с в ней. Для жидкостей скорость с зависит главным образом от температуры t и концентрации раствора q и при небольших колебаниях t и q изменяется линейно

Ct, q= с(1 + bt - aq).

Относительный температурный коэффициент b скорости ультразвука для большинства органических жидкостей отрицателен и имеет значения 2 10^-3 - 5 10^-3 град ^-1. Для воды и водных растворов зависимость с от t имеет параболический характер. Максимум кривой для воды достигается при 74°. При невысоких температурах коэффициент b для воды и водных растворов положителен и имеет значение 110^-3 - 2,510^-3 град^-1. Концентрационный коэффициент а для водных растворов обычно положителен и имеет значения 0,8 10^-3 1,510^-3 г/л.

Легко видеть, что для фазового расходомера, показания которого определяются уравнением (1.5), абсолютная погрешность от изменения температуры и концентрация будет равна

t,q=,

а относительная погрешность

t,q=200(bt+aq).

Отсюда следует, что даже незначительные колебания температуры и концентрации среды могут дать заметную погрешность. Так, для воды при t = 5° и b == 2,510^-3 получим t = 1,25 %.

В однолучевых фазовых расходомерах колебания t и q вызывают еще одно обстоятельство, ограничивающее возможности применения таких приборов.

Даже очень незначительные колебания t, например на 1…2°, создают такие сдвиги фаз на приемных пьезоэлементах по сравнению с излучающими пьезоэлементами, которые выходят за пределы рабочей характеристики фазового детектора. В этом случае выходом из положения является использование однолучевых приборов с измерительными схемами, осуществляющими непосредственное сравнение фаз обоих принятых колебаний (по потоку и против него), или переход на применение двухлучевых расходомеров.

Многократные отражения или реверберация ультразвуковых колебаний от границ среды с мембранами приемных преобразователей могут быть источником больших погрешностей. Основной помехой является первый паразитный сигнал, приходящий на приемный преобразователь после двухкратного отражения от приемного и излучающего вибраторов. Величина этого сигнала может достигать до 75 % от величины полезного сигнала, создаваемого первичным неотраженным ультразвуковым колебанием. Погрешность от реверберации весьма трудно оценить количественно. Для борьбы с реверберацией в двухлучевых приборах целесообразно поверхности мембран приемных пьезоэлементов срезать под небольшим углом к плоскости, перпендикулярной ультразвуковому лучу. Тогда отраженные импульсы уйдут в сторону и повторные отражения не поступают на пьезоэлементы. По этой же причине преобразователи с преломлением в значительной мере лишены погрешностей, связанных с реверберацией.

Погрешности, вносимые электронной измерительной схемой, определяются характером и типом последней, и для каждой схемы должны оцениваться самостоятельно.

4.2 Расчет методической погрешности измерения расхода

Большинство из разработанных расходомеров имеют преобразователи с преломлением ультразвуковых волн, выполнены с накладываемыми снаружи на трубопровод с измеряемым потоком узлами пьезоэлементов, например, Clampitron Flowmeter фирмы «Controlotron Corporation» (США) или УСРВ фирмы «Взлет» (Россия). Такие приборы с малыми затратами и быстро монтируются на трубе. В этих преобразователях ультразвуковые волны распространяются в потоке, претерпевая два преломления на границах раздела: звукопровод узла пьезоэлемента -- труба и труба -- измеряемый поток. Углы преломления ультразвуковых волн на границах раздела зависят от изменений скорости ультразвука (главным образом, в измеряемом потоке), обусловленной вариациями температуры, давления и состава измеряемого потока, что приводит к большим погрешностям измерений расхода.

Действительно, упрощенные уравнения расхода Q для одноканальных частотно-импульсных Q_F, импульсно-временных Q_T и фазовых Q_Ф расходомеров соответственно имеют вид

Q_F=(D³ (1+C_a Sin)²/4Ksin2)F,(4.1)

Q_T=(DC tg(/8K))T,(4.2)

Q_ф=(DC tg(/8K))Ф,(4.3)

где D -- внутренний диаметр трубы;

C_a -- скорость ультразвука в потоке;

= _ЭЛ + _ТР+ _ЗВ

-- время задержки ультразвуковых волн в электронной схеме и электрических кабелях _ЭЛ, в трубе _ТР и в звукопроводах _ЗВ;

-- угол между направлением распространения ультразвуковых волн в потоке и осью трубы;

К-- поправка на распределение скоростей потока;

F-- разность частот выходных сигналов;

Т -- разность времен выходных сигналов;

щ -- угловая частота ультразвукового сигнала;

Ф -- разность фаз выходных сигналов.

Предельная относительная погрешность ? измерения функции (х,у) некоррелированных параметров х и у может быть выражена

?=((/х/)²_х²+(/у/)²_У²)^1/2,(4.4)

где _х и _У - предельные относительные погрешности параметров х и у.

Из уравнений (4.1), (4.2) и (4.3) на основании уравнения (4.4) получим выражения предельных относительных погрешностей ?_а измерений расхода за счет изменений угла для соответствующих схем расходомеров

?_af =(2Cos C_a /D/(1+( C_a Sin /D)-2ctg2) _a(4.5)

?_at=?_a=2_a/ Sin 2,(4.6)

где _a -- предельная относительная погрешность угла .

Значение угла определяется из выражения

= arccos (n cos ),(4.7)

n=С_a/С , (4.8)

где C -- скорость ультразвука в звукопроводе узла пьезоэлемента;

--угол между направлением распространения ультразвуковых волн в звукопроводе узла пьезоэлемента и осью трубы.

Из выражений (4.7) и (4.8) на основании уравнения (4.4) получим уравнение предельной относительной погрешности угла

_a =,(4.9)

Величина С является функцией температуры t, а С_a -- функцией температуры t, давления р и состава q. Поэтому на основании уравнения (4) можно записать

_n=,(4.10)

где _nt, _np и _nq - соответственно предельные относительные погрешности n за счет вариаций t, р и q.

Изменением геометрических размеров трубы от температуры пренебрегаем вследствие малости величины. Из уравнений (4.1), (4.2) и (4.3) на основании уравнения (4.4) получим выражения предельных относительных погрешностей _Са измерений расхода за счет изменений скорости ультразвука С_а в измеряемом потоке для соответствующих схем расходомеров:

_Саf =(2С_а sin /D(1+С_а sin /D))_Ca, (4.11)

_Саt =_Ca = 2_Ca (4.12)

Скорость ультразвука в потоке С_а является функцией температуры t, давления р и состава q. На основании уравнения (4.4) запишем

_Ca=,

где _{Cat Cap} и _Caq - соответственно предельные относительные погрешности С_a за счет вариаций t, р и q.

Поскольку _Cat=_{nt Cap}=_np и _Caq=_nq, то _Ca=_n.

На основании уравнения (4.4) общая предельная относительная погрешность измерения расхода для расходомеров с преобразователями с преломлением ультразвуковых волн за счет изменений угла излучения и скорости ультразвука в измеряемом потоке С_а получим

=.(4.13)

Все выше перечисленные погрешности были рассчитаны на ЭВМ на PASKAL. Данные для расчета приведены в таблице 4.1.

Таблица 4.1

Данные для расчета погрешностей

Исходные данные	Значение
Диаметр трубы D, м Угол распространения ультразвуковых волн в звукопроводе по отношению к оси трубы , рад Время задержки ультразвуковых волн , с Предельная относительная погрешность за счет вариации температуры nt, Предельная относительная погрешность за счет вариации давления np, Предельная относительная погрешность за счет вариации концентрации nq, Величина n	0,1 0,78539 28,810-6 1,510-2 110-3 2,510-3 0,52

В программе приняты следующие обозначения:



D=DT, =G, =T, _nt=NT, _np=NP, _nq=NQ, n=N, =A, _n=BN, _a=BA, ?_af=AF, ?_at=AT, ?_a=AV, С_а=V, _Саf =DF, _Саt=DC, _Саq=DV, _Ca=CA, _f =FI, _t= =TF.

Результаты расчета приведены в таблице 4.2

Таблица 4.2 - Результаты расчета погрешностей

Вид погрешности	Значение, %
От изменения угла : - для частотно-импульсных расходомеров - для импульсно-временных и фазовых расходомеров От изменения скорости ультразвука: - для частотно-импульсных расходомеров - для импульсно-временных и фазовых расходомеров	3,51 5,60 0,27 3,05
Общая погрешность: - для частотно-импульсных расходомеров - для импульсно-временных и фазовых расходомеров	3,52 6,38

Как видим, из расчетов при применении преобразователей с преломлением ультразвуковых волн предельные относительные погрешности измерений расхода _а за счет изменений угла в частотно-импульсных расходомерах могут быть 3,51 %, а в импульсно-временных и фазовых -- 5,6 %. Этих погрешностей нет в расходомерах с преобразователями без преломления ультразвуковых волн. Относительные погрешности измерений расхода за счет изменения скорости ультразвука С_а в частотно-импульсных расходомерах по расчетам составляют 0,27 %, а в импульсно-временных и фазовых -- 3,05 %.

Итак общая предельная относительная погрешность измерения расхода для расходомеров с преобразователями с преломлением ультразвуковых волн за счет изменений угла излучения и скорости ультразвука в измеряемом потоке составит:

- для частотно-импульсного расходомера 3,52 %;

- для импульсно-временного расходомера 6,38 %.

4.3 Программа расчета погрешностей

Расчет погрешностей выполнен на языке Turbo PASKAL 7.0.

Program 1;

Uses crt;

VAR N, BA, A, AF, AT, V, NT, NP, NQ, DF, DT, DV, DC, CA, DV, FI, TF, AV, T, G: real;

Begin

clrscr;

writeln('Введите диаметр трубы DT');

readln(DT);

writeln('Введите угол распространения ультразвуковых волн G');

readln(G);

writeln('Введите время задержки ультразвуковых волн Т');

readln(T);

writeln('Введите скорость поперечной ультразвуковой волны V');

readln(V);

writeln('Введите предельную относительную погрешность за счет вариации температуры NT');

readln(NT);

writeln('Введите предельную относительную погрешность за счет вариации давления NP');

readln(NP);

writeln('Введите предельную относительную погрешность за счет вариации концентрации NQ');

readln(NQ);

writeln('Введите N');

readln(N);

BN:=sqrt(NT*NT+NP*NP+NQ*NQ);

BA:=BN/sqrt(1-(N*cos(G)));

A:=arctan((sqrt(1-sqr(N*cos(G))))/(N*cos(G)));

AF:=(2*cos(A*T*V/DT/(1+(T*V*sin(A)/DT))-2*cos(2*A)/sin(2*A)))*BA;

AV:=2*BA/sin(2*A);

AT:= AV;

CA:=BN;

DF:=(2*V*T*sin(A/DT*(1+V*T*sin(A/DT))))*CA;

DC:=2*CA;

FI:=sqrt(AF*AF+DF*DF);

TF:=sqrt(AT*AT+DС*DС);

Writeln('Результаты расчета погрешностей');

Writeln('AF=',AF:7:4);

Writeln('AT=',AT:7:4);

Writeln('DF=',DF:7:4);

Writeln('DC=',DC:7:4);

Writeln('FI=',FI:7:4);

Writeln('TF=',TF:7:4);

readkey;

End.

Результаты расчета погрешностей

AF=0,0351

AT=0,0560

DF=0,0027

DC=0,0305

FI=0,0352

TF=0,0638



4.4 Блок- схема алгоритма вычисления погрешностей

Блок-схема алгоритма вычисления погрешностей представлена на рисунке 4.1

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 4.1 - Блок-схема алгоритма вычисления погрешностей

Размещено на http://www.allbest.ru/



Размещено на http://www.allbest.ru/



5. 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.

5.1 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

Предельно - допустимая концентрация паров газа в воздухе

Наименование продукта	ПДК, мг/м3 (ОБУВ)
Попутный нефтяной газ	50

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.

5.2 Классификация помещений по взрывопожароопасности

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

Таблица 5.2

Классификация помещений по взрывопожароопасности

	Установка подготовки газа
1	2
Наименование продукта Категория по взрывопожарных зон НПБ 105-95 Класс взрыво-и пожароопасных зон в помещениях и наружных площадках установки ПУЭ 86 Помещения узлов вход шлейфов и замера газа Технологический цех Резервная электростанция	Природный газ А В-1а В-1а П-1
Категории и группы взрывоопасной смеси по ГОСТ 12.1.011-78: попутный нефтяной газ	ПА-Т1



5.3 Мероприятия по обеспечению безопасности 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.

5.3.1 Мероприятия по технике безопасности на узле.

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.

5.3.2 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. Взрывонепроницаемая оболочка, в которую занесены электрические части, выдерживает давление взрыва и снижает передачу взрыва в окружающую взрывопожарную среду. Взрывонепроницаемость оболочки обеспечивается применением целевой защиты.

Все производственные помещения узла учета газа оборудованы приточно-вытяжной вентиляцией для предотвращения образования взрывоопасной смеси, сигнализаторами до взрывоопасных концентраций, соединенных с автоматикой включения аварийной вентиляцией.

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.