ПОЛЕЗНОЕ

Как развить коммуникабельность Почему могут возникнуть ссоры между супругами, в то время как их отношения кажутся прочными Почему появляется страх? Как стать богатым и отойти от дел молодым Советы от доктора Айболита «Как быть здоровым» Как сделать приглашение правильно Точка зрения. Как сделать сотрудника вовлеченным? Лень и как с ней бороться. Психологические аспекты Способов заработать с помощью internet Лекции по Основам предпринимательства Последнее добавление

КАТЕГОРИИ

Частотные ультразвуковые расходомеры

Стр 1 из 3Следующая ⇒

Реферат

По дисциплине «Приборы и системы автоматизации»

Тема «Ультразвуковые расходомеры»

Выполнил: студент гр.4/53 Шеметов А.Г.

Проверил: Невиницын В.Ю.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………………3

УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ РАСХОДОМЕРЫ

1. Принцип действия………………………………………………..5

2. Область применения…………………………………………….16

3. Преимущества и недостатки…………………………………….17

4. Примеры промышленных расходомеров………………………18

ЗАКЛЮЧЕНИЕ………………………………………………………………24

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ…………………………………………………..25

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 u. По измеренному значению суммарной скорости при известном значении с определяется величина u. 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).

УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ РАСХОДОМЕРЫ.

Принцип действия.

Принцип действия ультразвукового расходомера основан на том, что при распространении ультразвуковых колебаний в движущейся среде скорость ультразвука относительно неподвижной системы координат (стенок трубопровода) равна векторной сумме скорости ультразвука относительно среды и скорости самой среды относительно трубопровода. Поэтому, если в трубопроводе установлены два пьезоэлектрических преобразователя, излучающих ультразвуковые колебания по направлению потока и против него, и соответственно два приемника ультразвука, расположенных на одинаковом расстоянии от излучателей, то при движении жидкости в трубопроводе сигналы в двух ультразвуковых каналах приходят к приемникам с акустической разностью хода, величина которой одновременно зависит от скорости жидкости.

Принцип действия ультразвуковых расходомеров может быть основан на измерении интервалов времени, на измерении сдвига фаз между ультразвуковыми колебаниями, направленными попеременно по потоку и против него, и на измерении разности частот ультразвуковых колебаний, создаваемых автоколебательной схемой и направляемых одновременно по потоку и против него.

Способы реализации ультразвукового метода определения расхода жидкости в напорных трубопроводах

Для труб среднего и большого диаметра предпочтительно применение ультразвуковых расходомеров, основными достоинствами которых являются отсутствие гидравлического сопротивления, помехозащищенность, быстродействие. Существуют три основных способа реализации ультразвукового метода определения расхода жидкости в трубопроводе: времяимпульсный, фазовый и частотный.

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 с 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.

Рассмотрим подробнее каждый способ измерения этих ультразвуковых расходомеров.

Фазовые ультразвуковые расходомеры.

Фазовыми называют ультразвуковые расходомеры, основанные на зависимости фазовых сдвигов ультразвуковых колебаний, возникающих на приемных пьезоэлементах, от разности времен прохождения этими колебаниями одного и того же расстояния по потоку движущейся жидкости или газа и против него.

В одноканальных расходомерах большим разнообразием отличаются схемы переключения пьезоэлементов с излучения на прием, в частности, схемы с одновременной посылкой коротких ультразвуковых пакетов и одновременным переключением пьезоэлементов с излучения на прием. Одна из возможных схем ультразвукового фазового расходомера показана на рисунке 1.

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

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.

В зависимости от сдвига фаз меняется значение напряжения, до которого заряжается конденсатор C1, а следовательно и скорость его заряда. После того, как конденсатор зарядится, происходит переброс переключателя 7, в результате чего вибратор 1 становится генерирующим, а вибратор 2 - воспринимающим ультразвуковые колебания, а вместо конденсатора C1 подключается конденсатор С2.

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 2. 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) с малой проходной емкостью.

Рисунок 2 – Схема одноканального фазового расходомера с электронным переключателем: М – мультивибратор; УП1, УП2 – управляющий усилитель; К1, К2, К3, К4 – электронный ключ; У1, У2 – усилитель; СФД – синхронно – фазовый детектор

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 синхронно – фазового детектора СФД, на который поступают прямоугольные колебания от усилителей У1 и У2, работает так же как и у ранее рассмотренного фазового расходомера. 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.

Рисунок 3 — Схема двухканального фазового расходомера Г — генератор; У,У1, У2 — усилитель; И1,И2 — излучатель; П1, П2 — приемник; ФД — Фазовый детектор; М — показывающий прибор

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. 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. Это напряжение детектируется и поступает к стрелочному прибору М, напряжение с которого поступает на электронный потенциометр.

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 в какие-либо обратно пропорциональные величины, например токи, и затем вычитал эти величины.

Однако попытка реализовать эту идею не дала положительного результата, так как существующие приборы измеряют не полные фазовые смещения, а только их части.

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.

Времяимпульсные ультразвуковые расходомеры

Времяимпульсными называются ультразвуковые расходомеры, в которых измеряется разность времен перемещения коротких импульсов по направлению потока и против него на длине пути.

Времяимпульсные расходомеры в большинстве случаев одноканальные и работают на очень коротких импульсах длительностью 0,1-0,2 мкс, посылаемых навстречу друг другу поочередно или одновременно с частотой, например, 0,5 кГц.

Генератор Г создает импульсы, имеющие длительность 0,2 мкс и частоту следования 800 Гц, которые с помощью вибраторов В1 и В2, работающих с частотой 400 Гц, подаются поочередно к пьезоэлементам П1 и П2. Последние посылают в жидкость быстро затухающие ультразвуковые импульсы, а вибраторы В1 и В2 включают зарядные устройства ЗУ1 или ЗУ2. От генератора Г одновременно поступает импульс к пьезоэлементу П1 и импульс к триггеру ЗУ2. устанавливая его в активное состояние проводимости. При этом включается устройство С2, вырабатывающее пилообразное напряжение в течение времени, прохождения ультразвука через измеряемое вещество. Максимальное значение этого напряжения пропорционально времени. В момент прихода ультразвукового импульса к пьезоэлементу П2 устройство С2 отключается. Таким же образом за время прохода ультразвукового импульса против потока от П2 к П1 устройство C1 вырабатывает напряжение, пропорциональное времени. Разность напряжений измеряется устройством ИУ. Такой цикл повторяется 400 раз в секунду.

Данный метод получил в последние годы наиболее широкое применение. Это обусловлено его высокой точностью в широком диапазоне изменения расходов любых звукопроводящих сред с низким содержанием (порядка 1–3%) газообразных и твердых включений, малой инерционностью (0,1–1 с), возможностью измерения расхода пульсирующих и импульсных потоков, высокой чувствительностью к изменению скорости потока (1–2 мм/с) [3].

ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ.

Ультразвуковой расходомер воды применяется во многих областях науки, его польза доказана на практике. Его используют:
- В геологии (измерение потоков под земляными пластами).
- В нефтяной промышленности (учитывают расход воды, в том числе и сточных вод).
- На водоочистных сооружениях в коммунальных службах.
- При мониторинге данных по объему отводимой, а также оборотной воды, предназначенной для охлаждения трубопроводов. Так сохраняют энергетический баланс на русловых ГЭС, теплоэлектростанциях и так далее.
- Портативный расходомер жидкости применяется и в организациях, которые занимаются охраной окружающей среды и гидрографии.

В условиях, приближенных к благоприятным, хватает одной звуковой волны, для того, чтобы получить наглядные данные о количестве воды в потоке. Но, чаще всего, условия, в которых производятся измерения, близки к полевым, а то и к экстремальным. Ветер, постоянно колеблющаяся скорость течения, волны – вот далеко не полный список помех, с которыми сталкиваются специалисты при исследованиях. Поэтому оптимальное количество ультразвуковых волн (обычно их четыре) являются оптимальным решением для максимально точного измерения потока.

ПРЕИМУЩЕСТВА И НЕДОСТАТКИ.

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 2000 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.

Технические характеристики

Классы фланцев

· 150 #

· 300 #

· 600 #

Сортамент труб

· 40/40S • 80/80S • 10S

· STD • XS • Прочие доступны по запросу

Технические характеристики

Sentinel LCT спроектирован в соответствии с требованиями OIML R117-1, MID MI-005 и API MPMS 5.8.

Типы сред

Жидкие углеводороды.

Измерение расхода

Режим корреляции времени прохождения.

Точность

Менее ±0,15% измеренного объема для расхода от 2 футов в секунду до 30 футов в секунду (от 0,5 м/с до 10 м/с).

Сходимость

±0,02%.

Неопределенность

Менее ± 0,027% согласно API MPMS 5.8.

Стабильность нуля

Менее 0,003 фута в секунду (0,0009 м/с).

Диапазон вязкости

От 0 до 500 сСт. При большей вязкости следует обращаться на завод- изготовитель.

Диапазон чисел Рейнольдса

Более Re 5000; если число Рейнольдса ниже, следует обращаться на завод-изготовитель.

Температура процесса

–40...120°C (–40...248°F) — стандартная. –200...120°C (–328...248°F) — СПГ. –200...600°C (–328...1 112°F) — расширенный диапазон, обращаться на завод-изготовитель.

Температура хранения

–40...80°C (–40...176°F).

Конфигурация тракта сигнала

· Четыре тракта Robust Path Configuration™

Диаметры труб

· От 4 дюймов (100 мм) до 36 дюймов (900 мм). Другие по заказу.

Номиналы фланцев

· 150 #

· 300 #

· 600 #

· Другие по заказу.

Сортаменты труб

· 40S

· STD

· 80S

· XS

· Другие по заказу.

Соответствие PED

· PED категория III, модуль H.

Требования к монтажу

Перед расходомером должен быть прямой участок трубопровода длиной 20D, за расходомером должен быть прямой участок трубопровода длиной 5D. Диаметры трубопровода на впуске и выпуске должны совпадать с ВД расходомера с точностью 1%. В случае невозможности монтажа отрезка длиной 20D на впуске может использоваться трубный пучок длиной 10D со стабилизатором потока. Соединения для измерения давления, температуры и плотности должны быть расположены на участке трубопровода за расходомером. В отрезке трубопровода длиной 20D (или 10D со стабилизатором потока) перед расходомером не должно быть предметов, нарушающих профиль потока.

Размеры

· Масса: 25 фунтов (11,33 кг).

· Размер (ДхВхГ) 13 x 11 x 9 дюймов (33 x 28 x 23 см).

Электропитание

· 100...240 В перем. тока.

· 12...32 В пост. тока.

Потребление электроэнергии

7 Вт

4. Ультразвуковой расходомер GE Sensing AT868

Стационарный расходомер AT868 соединяет в себе достижения современных технологий измерения расхода и недорогое исполнение. Прочная конструкция АТ868 и полное отсутствие движущихся деталей исключают необходимость регулярного технического обслуживания и обеспечивают долговременную и стабильную работу прибора. Встроенный микропроцессор обеспечивает реализацию оригинальных технологий кодирования и корреляционного детектирования сигналов, автоматическую адаптацию к изменению свойств среды и динамическую конфигурацию рабочего программного обеспечения, которая значительно упрощает процедуру программирования (аналогично моделям DF868 и ХМТ868).

Ультразвуковой стационарный расходомер AT 868 предназначен для измерения расхода жидкости в полнопоточных трубопроводных системах. AT868 оптимальным образом соединяет в себе достижения современных технологий измерения расхода и недорогое исполнение, которые обеспечивают возможность эффективного контроля непосредственно в необходимой точке технологического процесса. Прочная конструкция AT-868 и полное отсутствие движущихся деталей исключают необходимость регулярного техничесекого обслуживания и обеспечивают долговременную и стабильную работу прибора. Встроенный микропроцессор обеспечивает реализацию оригинальных технологий кодирования и корреляционного детектирования сигналов, автоматическую адаптацию к изменению свойств среды и динамическую конфигурацию рабочего программного обеспечения, которая значительно упрощает процедуру программирования. Накладные преобразователи расходомера AT868 обеспечивают максимальное удобство, гибкость и низкую стоимость установки по сравнению с традиционными технологиями измерения расхода. Прибор разработан специально для применения в муниципальной отрасли, часто применяется в ЖКХ для измерения расхода воды в зданиях и расхода сточных вод. Точность расходомера, как правило, один-два процента от показаний с накладными датчиками.

5.Ультразвуковой стационарный расходомер жидкости GE Sensing DigitalFlow DF868

Ультразвуковой стационарный расходомер жидкости DF868 разработан на основе испытанного портативного расходомера TransPort РT868. Прибор DF868 реализует современную времяимпульсную технологию измерения расхода. Расходомеры DF868 имеют различные модификации и обеспечены всеми необходимыми принадлежностями для решения большинства задач по измерению расхода:

· одно- и двухканальная модели;

· разнообразные стационарные и накладные преобразователи, системы их установки и измерительные участки;

· термометры сопротивления и другие принадлежности для измерения энергии тепловых потоков;

· заказное программное обеспечение, совместимое с персональным компьютером.

Тип жидкости

Все акустически проводящие жидкости, включая большинство чистых жидкостей, а также многие жидкие среды, содержащие твердые включения и газовые пузырьки. Максимально возможное при измерении количество включений зависит от типа используемых ультразвуковых преобразователей, частоты, длины хода ультразвукового луча и конфигурации трубопровода.

Размеры труб

· Наружный диаметр от 12,7 до 5000 мм.

Толщина стенки трубы

· До 76,2 мм.

Материалы

Все металлы и большинство пластмасс; обращайтесь, пожалуйста, в Компанию GE Sensing при использовании для труб из композитных материалов, а также труб, подвергнутых коррозии или имеющих покрытие.

Относительная погрешность (%) Внутренний диаметр трубы > 150 ММ (6 дюймов)

· Скорость > 0,3 м/с: ±1% обычная, до ±0,5% с калибровкой (см. примечание).

· Скорость ≤ 0,3 м/с: ±0,01 м/с (см. примечание).

Внутренний диаметр трубы < 150 ММ (6 дюймов)

· Скорость > 0,3 м/с: ±2% обычная (см. примечание).

· Скорость ≤ 0,3 м/с: ±0,05 м/с (см. примечание).

Примечание: Приведенные характеристики справедливы для полностью развитого профиля потока. Точность измерения зависит от размеров трубы.

Пределы измерения

· От -12,2 до 12,2 м/с.

Динамический диапазон

· 400:1.

Воспроизводимость

· Для стационарных ультразвуковых преобразователей: ±0,1% от полной шкалы.

· Для накладных ультразвуковых преобразователей: от ±0,1 до 0,3% от полной шкалы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

Существует большое количество средств для измерения расхода сжиженных газов при различных условиях. Они всё время модернизируются с целью повышения метрологических и технических характеристик.

Но среди всех методов измерения расхода особо выделяются акустические, в частности ультразвуковые.

К достоинствам ультразвуковых расходомеров принято относить: высшую точность измерения в широком интервале расходов; сверхвысокое быстродействие (десятки миллисекунд), и возможность измерения пульсирующих расходов; высокие показатели надежности (из-за отсутствия подвижных узлов); отсутствие депрессирующих элементов и вызванных ими потерь давления; принципиальную возможность измерения массового расхода и сохранение работоспособности при изменении направления потока; возможность измерения большого класса сред от жидких металлов до криогенных жидкостей и газов.

Выделяют несколько ультразвуковых методов измерения расхода, которые по-разному реализуют достоинства ультразвуковых расходомеров. Поэтому современные ультразвуковые расходомеры совмещают в себе все преимущества каждого метода, и идеально подходят под высокие требования современного производства.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.

1) Сажин С. Г. «Средства автоматического контроля технологических параметров», 2014

2) Сажин С.Г. «Приборы контроля состава и качества технологических сред», 2012

3) Шишмарев В.Ю. «Технические измерители и приборы», 2010

4) Невиницын В.Ю. «Современные приборы измерения теплоэнергетических величин. Измерение уровня и расхода», 2014