ДонНТУ   Портал магістрів

Реєнт Анжеліка Володимирівна

Факультет комп'ютерних інформаційних технологій та автоматики

Кафедра єлектронної техніки

Спеціальність Електроніка та наноелектроніка

Обгрунтування структури промислового ультразвукового витратоміру газу

Науковий керівник: к.т.н. Кузнєцов Дмитро Миколаєвич

Резюме Біографія Реферат

Зміст

• Вступ
• 1. Мета і завдання дослідження
• 2. Огляд методів і засобів вимірювання витрати газу
• 3. Характеристика ультразвукового метода измерений
• 3.1 Переваги та недоліки ультразвукових витратомірів газу
• 3.2 Принцип роботи ультразвукового витратоміра газу
• 4. Технічні вимоги на розробку
• 5. Вибір мікросхеми перетворювача час-код
• 6. Розробка структурної схеми витратоміра
• 7. Спосіб вимірювання часу прольоту імпульсу
• 8. Розробка схеми автоматичного регулювання посилення (АРП)
• 9. Розробка фільтру для придушення акустичних перешкод
• Висновки
• Список використаної літератури

Вступ

Створення нових технологій і виробничих процесів і збільшення вартості енергетичних ресурсів призвели до того, що зросла потреба вимірювання витрати газу. У наш час існує величезна кількість витратомірів, які використовують різні методи вимірювання витрати, що відрізняються тільки областю застосування і метрологічними характеристиками. Методи з використанням акустичних хвиль є найбільш перспективними. Це обумовлено тим, що акустичні коливання і хвилі є універсальними носіями інформації про той чи інший стан об'єктів. Здатність поширюватися в різних середовищах і простота випромінювання - прийому ультразвукових хвиль, дає можливість застосовувати ультразвукові витратоміри для вимірювання витрати газу в трубопроводах.

За останні 15 років ультразвукові лічильники газу пройшли шлях від інженерно-технічної лабораторії до серійного використання в якості основного приладу вимірювання об'єму газу для комерційного обліку. Поряд з високою відтворюваністю і високою точністю ультразвукова технологія має й інші характерні особливості: незначне падіння тиску; широкі межі вимірювань; здатність працювати з реверсивними потоками; стійкість до забруднення і широкі можливості самодіагностики.

1. Мета і завдання дослідження

Метою роботи є обґрунтування структури ультразвукового витратоміра здатного працювати в широкому діапазоні вимірюваних швидкостей і тисків газу в умовах впливу акустичної перешкоди.

Основні завдання дослідження:

1. Здійснити вибір перетворювача час-код, що забезпечує необхідні точність і дозвіл вимірювань часу прольоту УЗ-імпульсів.
2. Розробити структурну схему витратоміра і алгоритм його функціонування.
3. Розробити систему автоматичного регулювання посилення (АРП).
4. Розробити електричний фільтр для придушення акустичної перешкоди.

2. Огляд методів і засобів вимірювань

Однією з найважливіших завдань в газовій промисловості є вимірювання витрати газу. Система обліку кількості речовин неможлива без засобів вимірювання витрати, які засновані на різних методах вимірювання витрати.

Регулятор потоку виконує наступні функції:

1. Висновок результатів вимірювань об'єму, витрати, температури, тиску на що показує пристрій.
2. Введення значень умовно-постійних величин: склад газу, параметри датчиків тиску і температури, поправочні коефіцієнти, калібрувальні коефіцієнти;
3. Захист від несанкціонованого доступу до параметрів;
4. Дистанційну передачу даних вимірювань;
5. Забезпечення вимог іскробезпеки.

В даний час застосовуються такі типи витратомірів:

1. Ультразвуковий витратомір газу. Принцип роботи ультразвукового витратоміра-лічильника газу заснований на тому, що перетворювачі посилають і приймають імпульси, що проходять через середу. Ультразвуковий витратомір-лічильник газу вимірює різницю часу проходження сигналів по потоку і проти нього, використовуючи різні способи цифрової обробки сигналів, визначає швидкість і об'ємна витрата.
2. Струменевий витратомір. Принцип роботи промислових цифрових витратомірів газу (повітря) заснований на залежності частоти коливань струменя вимірюваного середовища в чутливому елементі витратоміра від об'ємної витрати газу, що протікає через нього.
3. Витратомір Коріоліса. Принцип дії заснований на змінах фаз механічних коливань U-образних трубок, по яких рухається середу.
4. Термоанемометрический витратоміри. Поточне значення витрати газу обчислюється за значенням розсіюваною теплової потужності термоанемометра, складу і теплофізичних властивостях газу, параметрам тиску, а також розмірами чутливого елемента первинного перетворювача і площі поперечного перерізу трубопроводу.

Ультразвуковий промисловий лічильник газу використовує найбільш перспективну на сьогоднішній момент технологію ультразвукової витратометрії.

3.Характеристика ультразвукового методу вимірювань

3.1 Переваги та недоліки ультразвукових витратомірів газу

Поряд з високою відтворюваністю і високою точністю ультразвукова технологія має й інші характерні особливості:

• незначне падіння тиску;
• широкі межі вимірювань;
• здатність працювати з реверсивними потоками;
• стійкість до забруднення і широкі можливості самодіагностики.

До недоліків ультразвукових витратомірів, що стримують їх широке поширення, слід віднести:

• складність реалізації жорстких вимог до точності вимірювання тимчасових інтервалів; точність вимірювань повинна бути не гірше 0,4 нс для забезпечення дозволу по швидкості в 0,001 м / с згідно ГОСТ (ГОСТ ISO17089 Вимірювання витрати в закритих каналах – ультразвукові лічильники газу);
• вплив акустичної перешкоди;
• залежність рівня вимірювального сигналу від тиску газу.

3.2 Принцип роботи ультразвукового витратоміра газу

Принцип роботи витратоміра заснований на методі вимірювання різниці між часом проходження ультразвукового імпульсу по потоку і проти потоку газу. Виміряна різниця часу, пропорційна швидкості потоку, перетворюється в значення об'ємної витрати газу.

Час поширення звуку в напрямку потоку

де L – відстань між датчиками (довжина ходу променя),
м; с – швидкість звуку, м/с;
v – швидкість потоку, м/с;
φ – кут між акустичним променем і напрямком потоку. (Див. Рис. 3.1).

Час поширення звуку проти потоку

Швидкість потоку

Об'ємна витрата газу в робочих умовах

де S – площа поперечного перерізу витратоміра, м2.

Об `єм газу в стандартних умовах

де Kc – коефіцієнт приведення до стандартних умов;
ρ – щільність газу, кг/м3;
ρс – щільність газу при стандартних умовах;
P – абсолютний тиск газу, МПа;
Рс – стандартний тиск газу, 0,1013 МПа;
Т – температура газу, 0С;
Тс – стандартна температура газу, 20 0С;
К – коефіцієнт стисливості газу (залежить від складу газу).

Теоретична швидкість звуку може бути отримана виходячи зі складу газу, його температури і тиску. Ця теоретична швидкість звуку повинна бути ідентична виміряної швидкості. Таким чином, швидкість звуку дає хорошу можливість для діагностики роботи системи.

4. Технічні вимоги на розробку

Вимоги до ультразвукового витратоміра газу:

• діапазон вимірюваних швидкостей потоку від 0,2 до 40 м/с
• дозвіл по швидкості 0,001 м/с
• умовний діаметр від 50 до 500 мм
• межа допустимої відносної похибки ±1%
• діапазон надлишкового тиску газу від 0 до 10 МПа
• діапазон температур газу від -50 до +70 ?С

5. Вибір мікросхеми перетворювача час-код

TDC-GP22 – універсальний двоканальний час-цифровий перетворювач з послідовним інтерфейсом, адаптований для ультразвукових витратомірів.

Важливою особливістю є властивість детектування першої хвилі послідовності імпульсів, що підвищує швидкість роботи витратоміра..

Технічні переваги:

• 1 канал з роздільною здатністю 90 пс
• Режим подвійного дозволу 45 пс, Режим чотириразового дозволу 22 пс
• Діапазон вимірювання від 500 нс до 4 мс
• Можливістю фіксації і автоматичної обробки всіх 3-х подій

В результаті аналізу можливих схемних рішень в якості вимірювача часових інтервалів була обрана спеціалізована мікросхема GP-22, що забезпечує дозвіл при вимірюванні часових інтервалів близько 90 пс (при необхідних 400 пс);

6. Розробка структурної схеми витратоміра

7. Спосіб вимірювання часу прольоту імпульсу

Принцип дії ультразвукових витратомірів може бути заснований на вимірюванні інтервалів часу, спрямованими поперемінно по потоку і проти нього.

Після подачі на передавальний УЗ датчик короткого імпульсу напруги тривалістю близько 4 мкс (половина періоду резонансних коливань датчика), формується просторова звукова хвиля в напрямку приймального датчика. Прийнятий датчиком приймачем вимірювальний сигнал має складну форму, утворену складанням двох гармонійних коливань з близькими частотами і різними амплітудами. Типовий вид осцилограми вимірювального сигналу, отриманого на виході попереднього підсилювача, наведено на рисунку 4.

Для вимірювання часу проходження УЗ коливань виконується подальше посилення сигналу і виділяється перший інформаційний імпульс з амплітудою більшою рівня компарування (половини напруги живлення) (див. Рис. 5).

За час прольоту імпульсу приймається інтервал часу між пострілом і моментом спрацьовування компаратора.

8. Розробка схеми автоматичного регулювання посилення (АРП)

Система АРП необхідна для стабілізації необхідного рівня сигналу на виході вимірювального підсилювача в широкому діапазоні тисків газу від 1 до 100 атмосфер в витратомірах діаметром від 50 до 500 мм. Відомо, що рівень сигналу пропорційний тиску газу і обернено пропорційний відстані між УЗ-датчиками. Таким чином, система АРП повинна вміти регулювати коефіцієнт підсилення вимірювального підсилювача не менше ніж в 1000 разів. Пропонується виконати АРП за принципом стежить системи зі східчастою зміною коефіцієнта посилення з кроком в 5%.

Пропонується виконати АРП за принципом стежить системи зі східчастою зміною коефіцієнта посилення з кроком в 5%. Якщо рівень вимірювального сигналу виявиться менше номінального, то система АРП буде послідовно збільшувати коефіцієнт посилення з кроком в 5%, якщо більше – зменшувати.

Визначимо необхідну кількість ступенів регулювання посилення

На рисунку 6 представлено запропоноване схемне рішення підсилювача системи АРП. Стабілізація амплітуди вимірювального сигналу здійснюється за допомогою управління коефіцієнтом передачі підсилювального каскаду на операційному підсилювачі (ОП) DA1 за допомогою двох 7-розрядних цифрових потенціометрів R1 і R2.

Регулювання коефіцієнта передачі здійснюється за принципом, що стежить. Якщо виміряна амплітуда вимірювального сигналу менше необхідної, то відбувається збільшення коефіцієнта передачі на один щабель (на 5%), якщо ж амплітуда більше – зменшення коефіцієнта передачі на один щабель.

Діапазон можливих значень коефіцієнта передачі підсилювача АРП: від 0,05 до 50. Число ступенів коефіцієнта передачі: 142.

Наведемо основні розрахункові співвідношення для схеми підсилювача системи АРП.

Коефіцієнт передачі вхідного дільника на потенціометрі R1

Опір потенціометра R2

Коефіцієнт посилення підсилювача на ОП без вхідного дільника

Сумарний коефіцієнт передачі підсилювача АРП

Виконаємо математичне моделювання та визначимо відносне вимірювання коефіцієнта передачі підсилювача АРП при зміні на одиницю кодів потенціометрів Kod1 і Kod2. Результати моделювання наведені на малюнках 7 і 8 відповідно. З результатів випливає, що дані залежності нелінійні і це істотно ускладнює визначення необхідних значень кодів цифрових потенціометрів для реалізації ступінчастою регулювання посилення з обраним кроком в 5%.

Для вирішення завдання визначення необхідних значень кодів цифрових потенціометрів R1 і R2 для кожної з 142 ступенів регулювання посилення АРП розроблена програма в середовищі Delphi. Дана програма з 16384 можливих комбінацій кодів цифрових потенціометрів вибирає 142 коду, що забезпечують необхідний крок регулювання. Вікно програми з результатами розрахунків наведено на рисунку 9.

Програма реалізує наступний алгоритм. Спочатку формується масив всіх можливих значень коефіцієнта передачі підсилювача АРП KS від 0.008 до 51 з вирівнюванням по зростанню. Всього 16384 значення. Потім виконує розрахунок необхідних 142 значень коефіцієнта передачі підсилювача АРП з обраним кроком в 5% від 0,05 до 51. На третьому фінальному етапі програма формує підсумковий масив коефіцієнтів АРП.

Рівень вимірювального сигналу визначається і стабілізується за амплітудою першого перегину (см.рис.10).

9. Розробка фільтру для придушення акустичних перешкод

У різних областях діяльності сучасного суспільства, при використанні акустичних систем в замкнутому просторі, залишається актуальною проблема придушення акустичних перешкод. Такі перешкоди виникають в самих різних сферах діяльності людини – при озвучуванні приміщень, в тактичних і льотних шоломофонах, в слухових апаратах, в дослідницьких системах з випромінювачами і приймачами сигналів звукової частоти і т.д.

Для придушення сигналу акустичної перешкоди пропонується ввести в вимірювальний підсилювач каскад активного фільтра верхніх частот з частотою зрізу близько 120 кГц. Фільтр практично не буде послаблювати корисний вимірювальний сигнал з частотою 125 кГц, і буде ефективно гасити сигнал перешкоди частотою близько 30 кГц.

Висновки:

1. Обгрунтовані вимоги до структурних елементів промислового УЗ витратоміра газу, здатного працювати в широкому діапазоні вимірюваних швидкостей і тисків газу в умовах впливу акустичної перешкоди
2. Запропонована система АРП ультразвукового витратоміра газу реалізує принцип стежить системи зі ступінчастим регулюванням коефіцієнта передачі вимірювального підсилювача з кроком в 5% і забезпечує діапазон регулювання коефіцієнта передачі щонайменше 1000.
3. Розроблена в середовищі Delphi програма розрахунку масиву коефіцієнтів цифрових потенціометрів дозволяє з 16384 можливих комбінацій кодів (положень) цифрових потенціометрів R1 і R2 вибрати 142 значення, що забезпечують необхідний крок перебудови коефіцієнта передачі підсилювача АРП рівний 5%.
4. Побудовано структурну схему ультразвукового витратоміра газу.

Список источников

1. Реент А.В.,Кузнецов Д.Н. Обоснование структуры промышленного ультразвукового расходомера газа/А.В. Реент, Д.Н. Кузнецов – Физика и техника – 2016 / Материалы научно-практической конференции. - 2016. – С.34-35.
2. Реент А.В.,Кузнецов Д.Н. Система автоматической регулировки усиления для ультразвукового расходомера газа/А.В. Реент, Д.Н. Кузнецов - Автоматизация технологических объектов и процессов поиск молодых. /Сборник научных трудов конференции. — Донецьк, ДонНТУ — 2017. – С.397-400.
3. Агранат В.А. Дубровин М.Н. Хавский А.В. Основы физики и техники ультразвука. / В.А. Агранат, М.Н. Дубровин, А.В. Хавский - М. Высшая школа.1987 с.6
4. Алексеев В.З., Бошняк В.В., Соловский В.М. Исследование диафрагм для труб малого диаметра. Измер.расх.жидк., газа и пара. / В.З. Алексеев, В.В. Бошняк, В.М. Соловский - М.,1967, с. 10-16
5. Биргер Г.И. Некоторые вопросы градуировки ультразвуковых расходомеров. Измерител. техника./Г.И. Биргер - 1962.№ 10
6. Биргер Г.И. Бражников Н.И. Состояние работ в области ультразвуковых расходомеров и приборы разработки ВНИКИ Цветметавтоматика. Измер. расх. жидкости газа пара./Г.И. Биргер, Н.И. Бражников - М.1965
7. Дробков В.П., Мельников В.И., Лабутин С.А. Ультразвуковой измеритель скорости и расхода компонентов многофазного потока./В.П. Дробков, В.И. Мельников, С.А. Лабутин - Москва ИПК издательство стандартов, декабрь 2002г.с.32
8. Козлов Л.И., Янбухтин И.Р. Экспериментальное исследование влияния применяемых защитных смазок и замены подшипников на погрешность турбинных расходомеров./Л.И. Козлов, И.Р. Янбухтин - Тр. НИИтеплоприбора.1965.№4, с.45-55
9. Колесников А.Е. Ультразвуковые измерения./А.Е. Колесников - М. Изд-востандартов.1982 стр.223
10. Кремлевский П.П. Об основых правилах измерения расхода газов и жидкостей РД 50-213-80./П.П. Кремлевский - Приборы и системы управления. 1984. №7. с.45-46
11. Кремлевский П. П. Расходомеры и счетчики количества веществ: Справочник: Кн. 2 / Под общ. ред. Е.А. Шорникова. — 5-е изд., перераб. и доп. / — СПб.: Политехника, 2004. — 412 с
12. Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества "Машиностроение"/П.П. Кремлевский - Справочник. Издание 4-ое. / Ленинград.1989 с.440,448
13. Патент РФ. Киселёв А.Е., Яшин Ю.С. Расходомер жидкости или газа. №1830451 А1.кл.301 Г 1/06.1993.
14. Патент РФ. Киселев А.Е., Яшин Ю.С. Расходомер жидкости или газа. РФ 2138020, 1999г.
15. Филатов, Кремлёвский Ультразвуковые расходомеры./Филатов, Кремлёвский - Сборник:"1У Всесоюзный научно-технический семинар. / Методы и приборы для измерения расходов жидкости, газа и пара" Таллин 1972 стр.116-125.
16. Филатов В.И., Сафин А.Г., Борисевич Е.А. Одноканальный ультразвуковой расходомер./В.И. Филатов, А.Г. Сафин, Е.А. Борисевич - Авт.свид. СССР, кл G01 fl/00, №395724
17. Ультразвуковые газовые расходомеры PS-1, http://tmces.ru, ООО "Технология измерения расхода электронными системами",2012.
18. Ультразвуковой расходомер газа FLOWSIC 600, www.sick-maihak.ru, SICK|Maihak GmbH
19. Ультразвуковой расходомер 1010GC, http://www.industry.usa.siemens.com., SIEMENS, США, 2012.