Счетчик воды вихревой ультразвуковой

I .Введение

Назначение приборов для расхода и количе­ ства жидкости, газа и пара.

Значение счетчиков и, особенно рас­ходомеров жидкости, газа и пара очень велико. Раньше основное применение имели счетчики воды и газа преимущественно в ком­мунальном хозяйстве городов. Но с развитием промышленности все большее значение приобрели расходомеры жидкости, газа и пара.

Расходомеры необходимы прежде всего для управления производством. Без них нельзя обеспечить оптимальный режим техно­логических процессов в энергетике, металлургии, в химической, нефтяной, целлюлозно-бумажной и многих других отраслях про­мышленности. Эти приборы требуются также для автоматизации производства и достижения при этом максимальной его эффектив­ности.

Счетчики жидкости и газа необходимы для учета массы или
объема нефти, газа и других веществ, транспортируемых по тру­бам и потребляемых различными объектами. Без этих измерений
очень трудно контролировать утечки и исключать потери ценных
продуктов. Снижение погрешности измерений хотя бы на 1 %
может обеспечить многомиллионный экономический эффект.

Исходная терминология и единицы измерения.

Расход — это количество вещества, протекающее через данное сечение в единицу времени.

Прибор, измеряющий расход вещества, называется расходоме­ром, а массу или объем вещества — счетчиком количества или про­сто счетчиком (ГОСТ 15528—86). Прибор, который одновременно измеряет расход и количество вещества, называется расходомером со счетчиком. Устройство, непосредственно воспринимающее измеряемый рас­ход (например, диафрагма, сопло, напорная трубка) и преобра­зующее его в другую величину (например, в перепад давления), которая удобна для измерения, называется преобразователем расхода.

Количество вещества измеряется или в единицах массы (кило­граммах, тоннах, граммах), или в единицах объема (кубических метрах и кубических сантиметрах). Соответственно расход изме­ряют в единицах массы, деленных на единицу времени (килограм­мах в секунду, килограммах в час и т. д.) или в единицах объема, также деленных на единицу времени (кубических метрах в се­кунду, кубических метрах в час и т. д.).

С помощью единиц объема можно правильно определять коли­чество вещества (особенно газа), если известны его давление и тем­пература. В связи с этим результаты измерения объемного расхода газа обычно приводят к стандартным (или как их принято называть нормальным) условиям, т. е. к температуре 293 К и давлению 101 325 Па.

Современные требования к приборам для измерения расхода и количества.

В настоящее время к расходомерам и счетчикам предъявляется много требований, удовлетворить которые сов­местно достаточно сложно и не всегда возможно.

Имеются две группы требований. К первой группе относятся индивидуальные требования, предъявляемые к приборам для из­мерения расхода и количества: высокая точность, надежность, независимость результатов измерения от изменения плотности вещества, быстродействие и значительный диапазон измерения. Ко второй группе относятся требования, которые характеризуют всю группу расходомеров и счетчиков: необходимость измерения расхода и количества очень разнообразной номенклатуры вещества о отличающимися свойствами, различных значений расхода от очень малых до чрезвычайно больших и при различных давлениях и температурах.

Классификация счетчиков и расходомеров.

Существующие расходомеры и счетчики количества можно условно разделить на приведенные ниже группы.

А. Приборы, основанные на гидродинамических методах:

1) переменного перепада давления,

2) переменного уровня,

3) обтекания,

4) вихревые,

5) парциальные.

Б. Приборы с непрерывно движущимся телом:

6) тахометрические,

7) силовые (и в том числе вибрационные),

8) с автоколеблющимся телом.

В. Приборы, основанные на различных физических явлениях:

Г. Приборы, основанные на особых методах:

15) меточные,

16) корреляционные,

17) концентрационные.

Из числа приборов первой группы следует отметить широко распространенные расходомеры переменного перепада давления с сужающими устройствами и сравнительно новые, но весьма пер­спективные вихревые расходомеры.

Во вторую группу входят многочисленные турбинные, шари­ковые и камерные (роторные, с овальными шестернями и другие) счетчики количества и частично расходомеры. Приборы силовые и с автоколеблющимся телом пока еще имеют ограниченное при­менение.

Из приборов третьей группы наибольшее распространение получили электромагнитные. Реже встречаются тепловые и аку­стические приборы.

Расходомеры оптические, ядерно-магнитные и ионизационные применяются сравнительно редко.

Меточные и концентрационные расходомеры, относящиеся к четвертой группе, служат для разовых измерений, например при проверке промышленных расходомеров на месте их установки. Корреляционные приборы перспективны для измерения расхода двухфазных веществ.

В промышленности применяются главным образом, расходо­меры с сужающими устройствами. Для их градуировки и поверки не требуются образцовые расходомерные установки, которые не­обходимы почти для всех остальных

Вихревые расходомеры.

Общая характеристика.

Вихревыми называются расходомеры, основанные на зависимости от расхода частоты колебаний давления, возникающих в потоке

в процессе вихреобразования или колебания струи. Они разделяются на три основные группы:

1. Расходомеры, имеющие в первичном преобразователе неподвижное тело, при обтекании которого с обеих его сторон возникают срывающиеся вихри, создающие пульсации давления.

2. Расходомеры, в первичном преобразователе которых поток закручивается и, попадая затем в расширенную часть тубы, прецессирует, создавая при этом пульсации давления.

3. Расходомеры, в первичном преобразователе которых струя, вытекающая из отверстия, совершает автоколебания, создавая при этом пульсации давления.

Преобразователи расхода у этих расходомеров многоступенчатые. В первой ступени в процессе вихреобразования или осцилляции струи создаются пульсации давления или скорости, частота которых пропорциональна объемному расходу. Во второй ступени эти пульсации преобразуются в выходной сигнал, обычно электрический. Для этого служат преобразователи давления (пьезоэлементы), температуры (термоанемометры), напряжения (тензорезисторы), ультразвуковые преобразователи скорости и т.п.

Увихревых расходомеров много достоинств: отсутстве подвижных частей, простота и надежность преобразователя расхода, независимость показаний от давления и температуры, большой диапазон измерения, доходящий в некоторых случаях до 15-20, линейность шкалы, хорошая точность (погрешность ±0,5-1,5%), частотный измерительный сигнал, стабильность показаний, сравнительная несложность измерительной схемы, возможность получения универсальной градуировки. К недостаткам вихревых расходомеров относятся значительная потеря давления, достигающая 30-50 кПа, и некоторые ограничения возможности их применения: они непригодны при малых скоростях из-за трудности измерения сигнала, имеющего малую частоту, и изготовляются лишь для труб, имеющих диаметры от 25 до 150-300 мм. Применение их для больших туб затруднено, а при очень малых диаметрах нет устойчивого вихреобразования. Многие конструкции вихревых расходомеров непригодны и для измерения загрязненных и агрессивных веществ, могущих нарушить работу преобразователей выходного сигнала. Но на процесс вихреобразования загрязнение, коррозия и эрозия тела обтекания или закручивающего аппарата практически сказываются очень мало. Поэтому при выборе преобразователя выходного сигнала (например, ультразвукового) вихревые расходомеры могут служить и для измерения загрязненных, агрессивных и абразивных веществ.

Вихревые расходомеры с обтекаемым телом.

Тело, находящееся на пути потока, изменяет направление движения его струй и увеличивает их скорость за счет соответствующего уменьшения давления. За миделевым сечением

тела начинается обратный процесс уменьшения скорости и увеличения давления. Одновременно с этим на передней стороне тела создается повышенное, а на задней стороне – пониженное давление. Пограничный слой, обтекающий тело, пройдя его давления сечение, отрывается от тела и под влиянием пониженного давления за телом изменяет направление движения, образуя вихрь. Это происходит как в верхних, так и в нижних точках обте­каемого тела. Но так как развитие вихря с одной стороны препят­ствует такому же развитию с другой стороны, то образование вихрей с той и другой стороны происходит поочередно. При этом за обтекаемым телом образуется вихревая дорожка Кармана шириной а, имеющая постоянное отношение b/а, которое для обтекаемого цилиндра равно 0,281.

Частота срыва вихрей согласно критерию Струхаля f = v Sh / d , т. е. пропорциональна отношениюv / d , a следовательно, при постоянном характерном размере d тела пропорциональна скорости о, а значит, и объемному расходуQ₀ Зависимость между Q₀ и f дается уравнением

Qo = ( sd / Sh } f ,

где s — площадь наименьшего поперечного сечения потока вокругобтекаемого тела.

Чтобы обеспечить пропорциональность между Qo иf, число СтрухаляShдолжно оставаться неизменным в возможно большей области значений числа Re. Для обтекаемого цилиндра число Sh остается постоянным в области lO³ —lO⁴ < Ro <2-10⁵ . Поэтому расходомер с цилиндрическим обтекаемым телом может иметь диапазон измерения Q_max /Q_min = 20. Но такой диапазон может иметь место в том случае, если приQminскорость v в трубе будет достаточна и обеспечит устойчивое вихреобразование (в частности, для воды v > 0,2 м/с).Исследование расходомера с цилиндриче­ским обтекаемым телом диаметром d показало, что наиболеепредпочтительным является отношение d / D = 0,15—0,25.Преиму­щественное применение в вихревых расходомерах нашли призма­тические тела прямоугольной, треугольной или трапецеидальной (дельтообразной) форм. У последних основание обращено на­встречу потоку. Такие тела образуют сильные и регулярные вих­ревые колебания, хотя и создают несколько большую потерю дав­ления. Кроме того, они удобны для организации второй ступени преобразования частоты в выходной сигнал.

Технические данные расходомера-счетчика СВУ.

Измеряемая среда для счетчика – вода пресная (речная, озерная), подтоварная (поступающая с установок подготовки нефти), пластовая (минерализованная), их смеси, другие невзрывоопасные жидкости, неагрессивные по отношению к сталям марок 12Х18Н10Т, 30Х13.

Параметры измеряемой среды:

1.Концентрация нефтепродуктов не менее 1 г/л,

2.Концентрация солей не более 20 г/л,

3.Концентрация твердых частиц не более 1 г/л,

4.Максимальный размер твердых частиц не более 3 г/л,

5.Рабочее давление от 0,6 до20 МПа,

6.Рабочая температура от 4 до 80⁰ С,

7.Диаметр присоединяемого трубопровода:

· ДРС-25, ДРС-50, ДРС-200 100 мм,

· ДРС-25А 50 мм.

Основные параметры датчика ДРС.

Основная относительная погрешность датчиков ДРС не превышает нижеприведенных значений

|A|%

5

2,5 “безжидкостная” градуировка

“жидкостная” градуировка с коррекцией по среднему

1,5

1,2

1

“жидкостная” градуировка с индивидуальной

коррекцией при выпуск товара

0

Q_min Q_min 0,2Q_max Q_max Q_max Q

Основная относительная погрешность БПИ по каждому из каналов масштабирования не более 0,1% при объеме протекающей жидкости не менее 100 м³ .

На основные метрологические характеристики счётчика и на его работоспособность оказывают влияние следующие факторы:

· Наличие в измеряемой среде примесей, а также изменение давления.

· Изменение температуры окружающего воздуха в пределах от –40 до 50⁰ С (кроме цифрового отсчетного устройства, для которого установлены пределы от –10 до 40⁰ С).

· Изменение влажности окружающего воздуха до 95% при температуре до 35⁰ С.

· Изменение напряжения питания переменного тока блока БПИ от 187,0 до 242 В и от 213 до 275 В.

· Изменение напряжения питания постоянного тока датчика ДРС от 20,4 до 26,4 В.

· Изменение частоты напряжения питания блока БПИ от 48 до 52 Гц.

· Наличие внешнего магнитного поля частотой 50 Гц и напряженностью до 400 А/м.

· Вибрация блока БПИ с частотой от 5 до 25 Гц и амплитудой до 0,1 мм.

· Вибрации датчика ДРС с частотой от 5 до 57 Гц и амплитудой до 0,15 мм, а также с частотой от 57 до 80 Гц и ускорением до 19,2 м/с² .

· Изменение рабочего положения датчика ДРС с вертикального на горизонтальное и наоборот.

· Изменение длины линии связи между датчиком ДРС и блоком БПИ до 250 м.

· Изменение длины прямолинейного участка трубопровода до минимального значения, равного 500 мм, на входе датчика ДРС и 300 мм на его входе.

Изменение относительной погрешности ДРС, вызванное отклонением температуры измеряемой среды на каждые 10⁰ С от (20 + 5)⁰ С:

· Для интервала температур от 4 до 20⁰ С не более 0,8%

· Для интервала температур от 20 до 60⁰ С не более 0,3%.

Потеря гидравлического напора на ДРС при наибольшем эксплуатационном расходе – не боле 0,1 МПа.

ДРС обеспечивает преобразование обьема протекающей жидкости в числоимпульсный сигнал, представленный периодическим изменением сопротивления выходной цепи:

1.Низкое сопротивление выходной цепи не более 200 Ом,

2.Высокое сопротивление выходной цепи не менее 50 кОм,

3.Предельно допускаемый ток от 20 до 50 мА,

4.Предельно допускаемое напряжение не зажимах цепи при ее высоком сопротивлении – 30В.

Выходная цепь ДРС гальванически развязана от остальных цепей и его корпуса и имеет предельно допускаемое напряжение гальванической развязки 30В.

Выходные сигналы БПИ по каналам масштабирования – импульсные, представленные периодическим изменением электрического сопротивления выходной цепи:

· Низкое сопротивление выходной цепи не более 1 кОм,

· Высокое сопротивление не менее 50 кОм,

· Предельно допустимый ток от 10 до 30 мА,

· Предельно допустимое напряжение на зажимах выходной цепи при ее высоком напряжении – 30 В.

Питание БПИ осуществляется от однофазной цепи переменного тока напряжением (220 + 22 – 33) В напряжением (48~52) Гц. ДРС питается от БПИ или другого источника постоянного тока напряжением (24 + 2,4 – 3,6) В.

Потребляемая мощность ДРС – не более 3 Вт, БПИ при отключенных ДРС – не более 11 Вт.

Соединение каждого ДРС с блоком БПИ осуществляется с помощью неэкранированного кабеля с параметрами:

1.Количество жил – не мене 4,

2.Активное сопротивление каждой жилы не более 20 Ом/км,

3.Емкость не более 0,1 мкф/м,

4.Длина кабеля не более 250 м.

ДРС устойчив к воздействию моющих жидкостей, обеспечивающих удаление загрязнений нефтепродуктами, а также к потоку измеряемой среды обратного направления. Средний срок службы счетчика не менее 12 лет, наработка на отказ ДРС и БПИ не менее 75000 ч, среднее время восстановления счетчика не боле 0,5 ч.

ДРС сохраняет работоспособность после замерзания и последующего оттаивания рабочей жидкости в проточной части, а также при наледи на наружных поверхностях. Предельное значение погрешности при наличии твердых отложений на рабочей поверхности ДРС толщиной до 1мм не превышает 8,5%.

Счетчик воды вихревой ультразвуковой СВУ предназначен для измерения объёма жидкости, закачиваемой в нагнетательные системы поддержания пластового давления на нефтяных месторождениях, а также для учета использования воды на промышленных предприятиях и в коммунальном хозяйстве.

Счетчик состоит из датчика расхода ДРС и преобразователя измерительного интегрирующего БПИ – 04 (дале5 блок БПИ).

Датчик ДРС предназначен для преобразования объёма жидкости в выходной сигнал, представленный числом электрических импульсов с ценой импульса 0,001 м³ , и может работать как в комплексе с блоком БПИ, так и отдельно от него в составе информационно-измерительных систем..

Датчики расхода могут устанавливаться в помещениях насосных блоков кустовых насосных станций, блоков водораспределительных гребёнок, пунктов учёта волы и на открытом воздухе под навесом и эксплуатироваться при температуре окружающего воздуха от минус 45⁰ С до 50⁰ С и влажности до 98%.

Блок БПИ обеспечивает:

электрическое питание подключаемых датчиков ДРС (от 1 до 4);

масштабирование и формирование выходных сигналов датчиков ДРС по четырем независимым измерительным каналам (каналам масштабирования) с ценой импульса по каждому из каналов 0,1 м³ ;

накопление информации об объемах протекающей жидкости на шестиразрядных отсчетных устройствах с ценой единицы младшего разряда 0,1 м³ .

Блок БПИ устанавливается в закрытых, не регулярно отапливаемых помещениях, пунктах контроля и управления, блоках местной автоматики, щитовых помещениях и др. при температуре окружающего воздуха от минус 40 до +50⁰ С 9 кроме цифрового отсчетного устройства, которое должно работать при температуре окружающего воздуха от минус 10 до +40⁰ С) и относительной влажности до 98% при температуре +35⁰ С.

Устройство и работа изделия.

Счетчик состоит из датчика ДРС и блока БПИ, соединенным четырёх жильным кабелем К. Датчик ДРС преобразует объём измеряемой среды, проходящей через него, в пропорциональное число электрических импульсов с ценой одного импульса 10^-3 м³ . Входной числоимпульсный сигнал датчика ДРС поступает в блок БПИ, выполняющий функции масштабирования, интегрирования и суммирования импульсной последовательности. Выходные сигналы блока БПИ также числоимпульсные с ценой импульса 0,1 м³ по каналам масштабирования (примечание: к одному блоку БПИ может быть подключено от одного до четырёх датчиков ДРС).

Кроме указанных функций блок БПИ осуществляет:

-передачу измерительной информации с выхода каналов масштабирования, выдачу в аппаратуру телемеханики служебных сигналов, необходимых для реализации приёма информации;

Индикация расхода по каждому из датчиков ДРС с помощью стрелочного индикатора;

Индикация результатов измерения объема по каждому из датчиков ДТС на цифровых отсчетных устройствах;

Выработку напряжения 24 В постоянного тока для дистанционного питания датчиков ДРС;

Блок БПИ и датчик БРС являются конструктивно и функционально законченными составными частями счетчикам и обеспечивают взаимозаменяемостью без подстроек, дополнительной градуировки и поверки.

Составные части счетчика ДРС (преобразователи ПР и ПНП) также являются функционально и конструктивно законченными частями датчика ДРС и обеспечивают взаимозаменяемость без дополнительной подстройки и поверки (при замене ПР или ПНП требуется лишь установка во вновь устанавливаемом ПНП паспортного значения коэффициента преобразования ПР К_пр и коэффициента коррекции К_s ).

Устройство и работа составных частей.

Устройство и работа датчика ДРС.

Набегающий поток образует за телом обтекания вихревую дорожку, состоящую из двух цепочек вихрей, образующихся на верхней и нижней кромках и перемещающихся вместе с потоком.

Принцип действия датчика основан на регистрации каждого из вихрей путём "просвечивания" потока ультразвуковым лучом, направленным перпендикулярно оси тела обтекания. После взаимодействия ультразвуковых колебаний с цепочкой вихрей (вихревой дорожкой) сигнал, принятый пъезоприёмником ПП, оказывается модулированным по фазе. Модулированный сигнал с выхода ПП через согласующийся трансформатор поступает на ограничитель амплитуды и далее на формирователь сигнал, с выхода которого импульсы прямоугольной формы поступают на один из входов фазового детектора ФД. Работа ФД основана на преобразовании фазового сдвига между опорным напряжением U₀ ., поступающим с кварцевого генератора, и напряжением сигнала, поступающим с выхода, в последовательность импульсов, длительность которых пропорциональна разности фаз между указанными сигналами.

Сигнал с выхода ФД поступает на двухзвенный пассивных rc-фильтр нижних частот (ФНЧ), где подавляется несущая частота и другие высокочастотные составляющие сигнала.

Окончательная частотная селекция полезного сигнала в


29-04-2015, 04:16