Реферат за темою випускної роботи
Зміст
Вступ
Створення і розвиток нових технологій і виробничих процесів, збільшення вартості води і енергетичних ресурсів, посилення заходів, спрямованих на захист навколишнього середовища, привели до збільшеної потреби вимірювання витрати води та інших рідин, що протікають в напірних і безнапірних трубопроводах. В даний час розроблено велику кількість витратомірів, які використовують різні методи вимірювання витрати, що розрізняються між собою областю застосування і метрологічними характеристиками. Найбільш перспективними є методи вимірювання витрати з використанням акустичних хвиль. Це обумовлено тим, що акустичні коливання і хвилі є універсальними носіями інформації про стан різних об'єктів. Простота випромінювання-прийому ультразвукових хвиль у поєднанні зі здатністю поширюватися практично в будь-яких середовищах дозволяють широко застосовувати ультразвукові витратоміри для вимірювання витрати рідини в трубопроводах.
Мета і завдання роботи
Мета магістерської роботи полягає в тому, щоб теоретично обґрунтувати структуру і досліджувати метрологічні характеристики ультразвукового витратоміра питної води для напірних трубопроводів великого діаметру. У процесі роботи необхідно буде вирішити такі завдання:
— проаналізувати структури напірних трубопроводів і насосних станцій, структуру потоку рідини в напірних трубопроводах;
— проаналізувати методи і способи вимірювання витрати рідини в напірних трубопроводах великого діаметру;
— проаналізувати способи реалізації ультразвукового методу вимірювання витрати рідини в напірних трубопроводах великого діаметру;
— проаналізувати існуючі структурні схеми ультразвукових витратомірів;
— проаналізувати вплив основних параметрів напірних трубопроводів на метрологічні характеристики ультразвукового витратоміра;
— поставити вимоги до ультразвукового витратоміру і сформулювати завдання на розробку структурної та функціональної схеми витратоміра;
— розробити структурну і функціональну схему ультразвукового витратоміра;
— розробити та дослідити модель ультразвукового витратоміра;
Ультразвукові витратоміри. Принцип дії
Принцип дії ультразвукового витратоміра заснований на тому, що при поширенні ультразвукових коливань у рухомому середовищі швидкість ультразвуку щодо нерухомої системи координат (стінок трубопроводу) дорівнює векторній сумі швидкості ультразвуку щодо середовища і швидкості самої середовища щодо трубопроводу. Тому, якщо в трубопроводі установлені два п'єзоелектричних перетворювача, випромінювальних ультразвукові коливання за напрямом потоку і проти нього, і відповідно два приймача ультразвуку, розташованих на однаковій відстані від випромінювачів, то при русі рідини в трупроводі сигнали у двох ультразвукових каналах приходять до приймачів з акустичною різницею ходу, величина якої одночасно залежить від швидкості рідини.
Принцип дії ультразвукових витратомірів може бути заснований на вимірюванні інтервалів часу, на вимірюванні зсуву фаз між ультразвуковими коливаннями, спрямованими поперемінно по потоку і проти нього, і на вимірюванні різниці частот ультразвукових коливань, створюваних автоколеблючою схемою і направляються одночасно по потоку і проти нього [5].
Способи реалізації ультразвукового методу визначення витрати рідини в напірних трубопроводах
Для труб середнього та великого діаметру переважно застосування ультразвукових витратомірів, основними перевагами яких є відсутність гідравлічного опору, перешкодозахищеність, швидкодія. Існують три основні способи реалізації ультразвукового методу визначення витрати рідини в трубопроводі: часоімпульсний, фазовий і частотний [6].
Пристрій перетворювача і вимірювальної схеми ультразвукового витратоміра, так само як і характер його роботи, сильно залежать від того, чи виробляється випромінювання ультразвукових коливань по потоку і проти нього по одному або по двох різних електроакустичним каналах. У зв'язку з цим ультразвукові витратоміри поділяються на:
— однопроменеві або одноканальні;
— двопроменеві або двоканальні.
У першому випадку перетворювачі дещо простіше, але вимірювальні схеми, як правило, складніше, оскільки виникає необхідність в пристрої і в перемиканні п'єзоелементів з випромінювання на прийом. Крім того, виникають труднощі у фазометричних вимірювальних схемах у зв'язку з багатозначністю шкали фазометрів. З іншого боку, в двопроменевих приладах будуть виникати похибки, якщо в обох електроакустичних каналах будуть спостерігатися неоднакові температури або різний склад середовища. Фазові витратоміри бувають як однопроменеві, так і двопроменеві; частотні та імпульсні витратоміри, як правило, виготовляються двопроменевими [1].
Розглянемо докладніше кожен спосіб вимірювання цих ультразвукових витратомірів.
Фазові ультразвукові витратоміри
Фазовими називають ультразвукові витратоміри, засновані на залежності фазових зсувів ультразвукових коливань, що виникають на прийомних п'єзоелементах, від різниці часів проходження цими коливаннями одного і того ж відстані по потоку рухомої рідини чи газу і проти нього.
У одноканальних витратомірах великою різноманітністю відрізняються схеми перемикання п'єзоелементів з випромінювання на прийом, зокрема, схеми з одночасною посилкою коротких ультразвукових пакетів і одночасним перемиканням п'єзоелементів з випромінювання на прийом. Одна з можливих схем ультразвукового фазового витратоміра показана на рисунку 1.
Рисунок 1 — Схема одноканального фазового витратоміра; 1, 2 — п'єзоелектричний вібратор; 3 — високочастотний генератор; 4,5 — підсилювач; 6 — фазометр; 7 — перемикач
На трубопроводі встановлено два п'єзоелектричних вібратора 1 і 2. Один з них, скажімо 1, в даний момент часу за допомогою механічного перемикача 7 підключений до генератора високочастотних синусоїдальних електричних коливань 3 і створює ультразвукові коливання в потоці рідини. Інший вібратор сприймає ультразвукові коливання, що пройшли в рідині відстань L, і перетворює їх у вихідні електричні коливання, що надходять потім до підсилювача 4, який окрім посилення ще за допомогою обмежувального каскаду перетворює синусоїдальні коливання в прямокутні коливання. Останні подаються на фазометр 6. Одночасно генератор 3 безперервно підключений до другого підсилювача 5 (також з обмежувальним каскадом), прямокутні коливання від якого також надходять на фазометр 6.
Залежно від зсуву фаз змінюється значення напруги, до якого заряджається конденсатор C1, а отже і швидкість його заряду. Після того, як конденсатор зарядиться, відбувається перекидання перемикача 7, в результаті чого вібратор 1 стає генеруючим, а вібратор 2 - сприймаючим ультразвукові коливання, а замість конденсатора C1 підключається конденсатор С2.
Механічний перемикач обмежує можливість вимірювання швидкозмінних витрат внаслідок слабкий частоти перемикання (порядку 10 Гц), що досягається з його допомогою, в той час, як ця частота повинна бути принаймні в 3 ... 4 рази більше частоти вимірюваного процесу. Крім того, механічний перемикач є джерелом ємнісний паразитного зв'язку між вібраторами, а також "шумів", що може повести до виникнення додаткових похибок. Тому були розроблені схеми ультразвукових фазових витратомірів із застосуванням електронних перемикачів. Одна з таких схем зображена на малюнку 2. Тут зв'язок випромінювального вібратора з генератором Г і приймального вібратора з підсилювачем У здійснюється через електронні ключі K1, К2, K3 і К4, виконані у вигляді багатокаскадних підсилювачів (для досягнення необхідного ослаблення в замкненому каналі) з малою прохідний ємністю.
Рисунок 2 — Схема одноканального фазового витратоміра з електронним перемикачем: М — мультивібратор; УП1, УП2 — керуючий підсилювач; К1, К2, К3, К4 — електронний ключ; У1, У2 — підсилювач; СФД — синхронно — фазовий детектор
Включення клапанів здійснює мультивібратор М за допомогою двох керуючих підсилювачів УП1 і УП2, що створюють симетричні прямокутні коливання напруги, що надходять на K1 і К4 або K2 і К3.
Частота цих коливань рівна частоті перемикання клапанів, а отже, і вібраторів. В даний момент включені ключі К1 і К4 (знак "+") і вимкнені K2 і К3. Інша частина схеми, що складається з синхронно - фазового детектора СФД, на який надходять прямокутні коливання від підсилювачів У1 і У2, працює так само як і у раніше розглянутого фазового витратоміра.
Наявність перемикача як механічного, так і електронного значно ускладнює конструкцію приладів і, зокрема, їх фазометрічну схему.
Цей недолік можна виключити, якщо в трубопроводі встановити дві пари вібраторів так, щоб в одній парі випромінювач безперервно створював коливання, спрямовані по потоку, а в іншій - проти потоку. Відстані L між випромінювачем і приймачем повинні бути однакові в кожної пари. Частота коливань в подібному приладі зазвичай буває високою, щоб забезпечити спрямованість випромінювань і уникнути передачі коливань на сусідній вібратор. У такому витратомірі на фазометр будуть безупинно надходити два синусоїдальних коливання, фазовий зсув між якими пропорційний швидкості потоку.
Рисунок 3 — Схема двоканального фазового витратоміра Г — генератор; У, У1, У2 — підсилювач; И1, И2 — випромінювач; П1, П2 — приймач; ФД — Фазовий детектор; М — показуючий прилад
Ультразвукові коливання, що створюються випромінювачами И1 і И2, проходять через звукопроводи з органічного скла, переломлюються при вході в рідину, проходять через останню, і через приймальні Звукопроводи надходять на приймальні п'єзоелементи П1 і П2, утворюючи на останніх синусоїдальні напруги, різниця фаз між якими пропорційна швидкості потоку. Кожен з п'єзоелементів П1 і П2 пов'язаний зі своїм підсилювачем У1 і У2 складається з чотирьох резонансних каскадів. В одному з підсилювачів мається фазообертач мостового типу, пов'язаний з другим і третім каскадом підсилення через два катодних повторювача і службовець для компенсації початкового зсуву фаз між каналами приймального перетворювача. Вихід обох підсилювачів пов'язаний зі схемою фазового. Детектора ФД, в якій обидва порівнюваних по фазі напруги подаються на загальне омічний опір і складаються на ньому. Сумарна напруга на останньому залежить від зсуву фаз між коливаннями, що пройшли по потоку і проти нього. Ця напруга детектується і надходить до стрілочному приладу М, напругу з якого надходить на електронну потенціометр.
Як було вже сказано, показання фазових витратомірів залежать від величини швидкості звуку в даному середовищі. Для усунення цієї залежності пропонувалося включення особливого блоку, який перетворював би напруги, пропорційні фазовим зсувам у будь обернено пропорційні величини, наприклад струми, і потім віднімав ці величини.
Проте спроба реалізувати цю ідею не дала позитивного результату, так як існуючі прилади вимірюють не повні фазові зміщення, а тільки їх частини.
Інший шлях виключення впливу швидкості звуку на показання приладу заснований на явищі заломлення ультразвукового променя, що падає під кутом на межу розділу двох середовищ (рідина - матеріал звукопровода). Матеріал звукопровода підбирається так, щоб зміна фази на приймальному вібраторі, викликане зміною швидкості звуку в потоці і супутнім йому зміною кута заломлення, компенсувало похибка приладу від зміни швидкості звуку [1].
Часоімпульсні ультразвукові витратоміри
Часоімпульсними називаються ультразвукові витратоміри, в яких вимірюється різниця часів переміщення коротких імпульсів по напряму потоку і проти нього на довжині шляху.
Часоімпульсні витратоміри в більшості випадків одноканальні і працюють на дуже коротких імпульсах тривалістю 0,1-0,2 мкс, що посилаються назустріч один одному по черзі або одночасно з частотою, наприклад, 0,5 кГц.
Рисунок 4 — Схема одноканального часоімпульсного витратоміра
Генератор Г створює імпульси, які мають тривалість 0,2 мкс і частоту проходження 800 Гц, які за допомогою вібраторів В1 і В2, що працюють з частотою 400 Гц, подаються по черзі до п'єзоелементи П1 і П2. Останні посилають в рідину швидко затухаючі ультразвукові імпульси, а вібратори В1 і В2 включають зарядні пристрої ЗУ1 або ЗУ2. Від генератора Г одночасно надходить імпульс до п'єзоелементи П1 і імпульс до тригеру ЗУ2. встановлюючи його в активний стан провідності. При цьому включається пристрій С2, що виробляє пилкоподібну напругу протягом часу, проходження ультразвуку через вимірюваний речовина. Максимальне значення цієї напруги пропорційно часу. У момент приходу ультразвукового імпульсу до п'єзоелементи П2 пристрій С2 відключається. Таким же чином за час проходу ультразвукового імпульсу проти потоку від П2 до П1 пристрій C1 виробляє напругу, пропорційне часу. Різниця напруг вимірюється пристроєм ІУ. Такий цикл повторюється 400 разів на секунду.
Даний метод отримав в останні роки найбільш широке застосування. Це обумовлено його високою точністю в широкому діапазоні зміни витрат будь-яких звукопровідних середовищ з низьким вмістом (близько 1-3%) газоподібних і твердих включень, малою інерційністю (0,1-1 с), можливістю вимірювання витрати пульсуючих і імпульсних потоків, високою чутливістю до зміни швидкості потоку (1-2 мм/с) [3].
Частотні ультразвукові витратоміри
Ультразвукові частотні витратоміри поділяються на частотно-пакетні і частотно-імпульсні.
У ультразвукових частотно-пакетних витратомірах коливання, що направляються по і проти швидкості потоку, за допомогою імпульсної схеми перетворюються в такі коливання, періоди яких рівні подвоєному часу проходження ультразвуку між вібраторами по потоку і проти нього. Вимірювана приладом різниця частот отриманих коливань виявляється прямо пропорційної швидкості або витраті рідини.
Блок-схема подібного витратоміра показана на рисунку 5.
Рисунок 5 — Анімація роботи двоканального частотно-пакетного ультразвукового витратоміра – кількість кадрів — 10; об'єм — 130 KB; кількість циклів повторення — постійно
Генератор Г, що створює синусоїдальні коливання високої частоти (10 МГц), подає останні через модулятори M1 і М2 на випромінюючі вібратори И1 і И2. Перший з них посилає ультразвукові коливання під кутом альфа до напрямку швидкості. Ці коливання сприймаються прийомним вібратором П1, що знаходяться на відстані L від вібратора И1. Як тільки перші коливання, що надходять на приймальні вібратори П1 і П2, і потім проходять через підсилювачі У1 і У2 і детектори Д1 і Д2, досягнутий модуляторів M1 і М2, останні, що працюють в тригерній режимі, замикають прохід коливань від генератора до вібраторів И1 і И2 , і випромінювання ультразвукових коливань припиняється. Воно поновлюється в ті моменти, коли останні ультразвукові коливання перших пакетів досягнуть прийомних вібраторів П1 і П2 і генерація останніми електричних коливань припиниться. У ці моменти модулятори М1 і М2 знову відкривають прохід електричних коливань від генератора до випромінювачів И1 і И2 і процес повториться. Легко бачити, що час роботи і час «мовчання» вібраторів И1 і П1 дорівнюватиме Т1, а час роботи і час «мовчання» вібраторів И2 і П2 дорівнюватиме Т2. Частота першого циклу f1будет очевидно дорівнює 1/2Т1, а другого f2 буде дорівнювати 1/2Т2. Таким чином, на вхід змішувального каскаду СМ надходять два коливальних процесу: один з частотою f1 і другий з частотою f2. На виході каскаду отримуємо різниця частот f1-f2.
Дуже цінним є те, що різниця частот (f1-f2) прямо пропорційна швидкості потоку v і не залежить від швидкості поширення звуку с.
Було б дуже корисно підвищити величину вимірюваної різниці частот f1-f2. Це дозволило б скоротити час, необхідний для вимірювання f1-f2 і, отже, підвищити швидкодію приладу.
Для усунення можливих перехресних наведень у двох поруч розташованих акустичних каналах іноді застосовують у них різні несучі частоти, наприклад, 85 і 135 кГц [1].
Висновки
У підготовчій частині своєї дипломної роботи я провів аналіз способів реалізації ультразвукового методу вимірювання витрати рідини в напірних трубопроводах великого діаметру.
Серед представлених способів найбільшого поширення в останні роки отримав часоімпульсний спосіб.
Це обумовлено його високою точністю в широкому діапазоні зміни витрат будь-яких звукопровідних середовищ з низьким вмістом (близько 1-3%) газоподібних і твердих включень, малою інерційністю (0,1-1 с), можливістю вимірювання витрати пульсуючих і імпульсних потоків, високою чутливістю до зміни швидкості потоку (1-2 мм / с).
При написанні даного реферату магістерська робота ще не завершена. Остаточне завершення: грудень 2013 року.
Перелік використаних джерел
1. Кремлевский П.П. Измерение расхода и количества жидкости, газа и пара. — М.: Изд-во стандартов, 1990. – 192 с.
2. Ультразвуковые расходомеры и система учета на их основе / Вячеслав Близнюк, Владимир Костылев, Валерий Сорокопут, Анатолий Стеценко, Андрей Стеценко — Измерительная техника
3. Бесконтактные методы измерения расхода жидкости в напорных и безнапорных трубопроводах / Громов Г.В., Озеров А.В., Шафрановский М.Н. — Мир измерений
4. Накладные и врезные расходомеры в коммерческом учете учете: желаемое или действительное / Гришанова И.А. - Фирма «СЕМПАЛ»
5. Объемные расходомеры / Катыс Г.П.:книга, М. — Л., издательство «Энергия», 1965, 88 с. с черт.
6. Спектральная обработка сигналов в ультразвуковых расходомерах систем водоснабжения / Никандров М.В. — Диссертация
7. Погрешности ультразвуковых расходомеров от расширения и деформации трубопровода при перепадах температуры и давления транспортируемой жидкости / Чернов Б.А. — Алматинский университет энергетики и связи
8. Ультразвуковая расходометрия на примере тепловодосчетчика СВТУ-10М: мнения и факты / Покрас C.И., Покрас А.И., Гришанова И.А — Фирма «СЕМПАЛ»
9. Proving Liquid Ultrasonic Flow Meters for Custody Transfer Measurement / Smith Meter® Liquid Ultrasonic Meters — FMC Technologies
10. Башутин Ю.П. Новая эра в измерении расхода по перепаду давления //Приборы и системы управления. – 1998. — №5. — с. 54-56