Цифровое средство измерения порционного расхода жидкости в трубопроводе и его метрологическая аттестация

ДОКЛАД

Здравствуйте уважаемые члены государственной экзаменационной комиссии.

Вашему вниманию представлена выпускная работа бакалавра на тему: «Цифровое средство измерения порционного расхода жидкости в трубопроводе и его метрологическая аттестация».

Порционный расход жидкости наиболее распространен в нефтедобывающей промышленности, где применяются глубинные штанговые насосы (ГШН трубные) для скважин с малым давлением.

Принцип работы подобных расходомеров жидкости основывается на фиксации изменения энергии ультразвуковой волны, проходящей через жидкость или газ, вследствие резких различий значений акустического сопротивления этих сред. Для измерения расхода жидкости в большинстве случаев используется принцип прохождения ультразвуковых колебаний между излучателем и приемником акустического датчика. В качестве преобразователей электрических колебаний высокой частоты (порядка 1 МГц) в ультразвуковые, распространяющиеся в контролируемой среде между излучателем и приемником, обычно используется пьезокерамика в виде круглых пластин диаметром      6..30 мм,  толщиной 1..2 ммс резонансной частотой от 0,5 до 2 МГц. Возбуждение и прием колебаний производится в непрерывном или импульсном режиме.

Для разработки измерителя порционного расхода жидкости в ходе проектирования были решены такие задачи (ПЛАКАТ 1):

- анализ методов и средств измерения порционного расхода жидкости;

-разработка электрической функциональной схемы измерения;

- разработка конструкции первичного измерительного преобразователя;

-разработка электрической принципиальной схемы средства измерения;

- разработка программы и методики метрологической аттестации;

-разработка операции контроля дополнительной погрешности при изменении напряжения питания сети;

- расчет себестоимости и цены изделия;

-разработка мероприятий по обеспечению безопасности охраны труда.

Разработанное средство измерения должно соответствовать следующим  техническим требованиям:

- диапазон измерения порционного расхода жидкости, /ч …50…500

- основная абсолютная погрешность, /ч ..……………………….±0,15   

- дополнительная погрешность от изменения температуры окружающей среды  ±0,15% / 10ºС

- электропитание осуществляется от сетии переменного тока напряжением 220 В  22В, частотой 50Гц ±0,2 Гц;

- диапазон рабочих температур, ºС………………………………. – 5..+80

- индикация измеряемого сигнала – цифровая, 3.5 разряда

- мощность не более, Вт…………………………………………………10

В качестве метода измерения мы выбираем  ультразвуковой, так как приборы, основанные на этом методе имеют:  малое или полное отсутствие гидравлического сопротивления, высокую надежность (так как нет подвижных механических элементов), высокая точность, быстродействие, помехозащищенность.

В соответствии с выбранным методом измерения порционного расхода жидкости предложена следующая функциональная схема, представленная на ПЛАКАТЕ 2.

В схемах ультразвуковых приборов применяется один совмещенный излучатель – приемник или два раздельных устройства. Ультразвуковые расходомеры отличаются высоким быстродействием и чувствительностью, и благодаря  применению защитных мембран могут работать даже в агрессивных средах. Основной недостаток ультразвукового метода заключается в зависимости результата измерения не только от измеряемой величины, но и от ряда влияющих параметров исследуемого материала.

Сигналы  задающего генератора 1, формирующего периодические импульсы с амплитудой 5 В (а), с длительностью 1 мкс с периодом 5мс поступают на вход усилителя 2, нагрузкой которого является пьезоэлемент .

На ПЛАКАТЕ 3 показан преобразователь, предназначенный для труб, имеющих диаметр 150 мм, и служит для измерения расходов жидкости в пределах 20—200 м/ч при давлении 0,6 МПа.  Преобразователь применен в расходомере РУЗ-714. Внутри изоляционной втулки 9 находится дисковый пьезоэлемент 5 диаметром 20 мм, который токоподводящей пружиной 11 и металлическим стаканом 10 прижимается к мембране 4 из оргстекла. Мембрана с помощью гайки 8 укрепляется на кольцевом выступе внутри корпуса 2, штифт 6 предотвращает ее поворот. Далее акустические колебания передаются через компрессорное масло и стенку трубопровода измеряемому веществу. Масло залито в полость 5, образованную корпусом 2 и плоской площадкой 1 , вышлифованной в стенке трубопровода.

В верхней части, в корпусе 12 с уплотнительным кольцом 13, находятся изоляционная втулка 16 и каркас 18 с обмоткой 17 согласующего трансформатора. Один из выводов обмотки через контактный штырек15 электрически связан через пружину 11 и стакан 10 с верхней плоскостью пьезоэлемента. Другой вывод обмотки припаян к пружинной шайбе 14, которая через корпуса 12 и 2 передает напряжение шайбе 7 из латунной фольги, прижатой к нижней плоскости пьезоэлемента. Угол излучения около 22°. Угол прохода через стенку трубы из коррозионно-стойкой стали 30°.

Усиленный до 30 В импульс возбуждает этот пьезоэлемент- излучатель 3 (б), являющийся составной частью излучателя датчика, при этом его резонансная частота равна 1 МГц.

Через время t2 (отсчет времени идет по фронту запускающего импульса) сигнал поступает на пьезоэлемент- приемник 4  (в) и возбуждает его. Время t2 (время распространения между излучателем и приемником) составляет порядка 13 мкс.

С пьезоэлемента- приемника сигнал поступает на вход зарядочувствительного усилителя 5, усиливается,   поступает на компаратор 6,  задачей которого является преобразование пачки гармонических импульсов на выходе зарядочувствительного усилителя в одиночный импульс уровня ТТЛ, для согласования с первым микроконтроллером DD3. Данный микроконтроллер обеспечивает и поддерживает работу синхрокольца следующим образом: DD3 генерирует на выходе PВ3 одиночный импульс, усиливаемый усилителем до 24В и этот импульс возбуждает пьезоизлучатель. Пьезоизлучатель генерирует пачку затухающих УЗ импульсов, которые проходят через исследуемую среду и через время t2 поступают на УЗ приемник. Пачка электрических импульсов с выхода пьезоприемника усиливается усилителем заряда и снова преобразуется в одиночный импульс уровня ТТЛ, который поступает на вход РА0 контроллера DD3. По приходу этого импульса DD3 генерирует новый импульс на выходе PD1- так работает синхрокольцо. Информация  о порционном расходе жидкости заложена в частоте одиночных импульсов, перемещающихся по синхрокольцу. На частоту этих импульсов непосредственно влияет скорость прохождения ультразвука через исследуемую среду: в нефти скорость УЗ сигнала выше чем в воздухе и других газах               ( воздухе- 340-344 м/с, в нефти- 1300 м/с). Для измерения частоты импульсов в синхрокольце в схему введен второй микроконтроллер DD4, его задачи- измерение частоты импульсов в синхрокольце и преобразование этой частоты в значение порционного расхода жидкости по такой схеме: если в пространстве между УЗ элементами находится нефть, частота импульсов в синхрокольце будет сравнительно высокой ( порядка 1000 Гц), а если там находится воздух, следовательно, частота понизится, примерно, в 2 раза. Сдедовательно, в момент прихода порции, частота следования импульсов в синхрокольце увиличивается и начало этого момента времени фиксируется контроллером DD3. Когда прождение порции закончится, частота импульсов в синхрокольце снова понизится, и этот момент времени тоже фиксируется DD3. Зная времена начала и окончания прохода порции, а также зная сечение трубопровода можно вычислить объем одной порции. Следовательно, можно вычислить колличество порций, проходящих за некоторый фиксированный промежуток времени, то есть расход.

В микроконтроллере временной селектор организован следующим образом. В момент времени t2 микроконтроллер начинает анализировать состояние вывода INT0 и при наличии лог.0 устанавливает на выводе PВ1 лог.1. Время t2 (20 мкс) задается программно. Отсчет времени (начало каждого цикла) идет по фронту запускающего импульса с вывода PD1 микроконтроллера. С момента времени t2 микроконтроллер анализирует состояние вывода PD0 (ждет лог. 0) только 15 мкс. Задержка, равная 20 мкс (рисунок 2.2, д) подобрана экспериментально с учетом тех сред, с которыми будет работать датчик.           

Длительность ворот определяется длительностью принимаемого сигнала, приходящего с излучателя через рабочую среду в приемник. Длительность принимаемого сигнала  tc (в) может быть от 10 до 60 мкс и определяется рядом факторов: пьезоэлементами (излучателем и приемником), качеством наложения  данных пьезоэлементов в на трубопровод и др.

В момент времени t2 перед тем, как открыть ворота, микроконтроллер устанавливает вывод PB0 в состояние лог.0. Таким образом, временные ворота настроены только на полезный сигнал по жидкости. Если между излучателем и приемником  (в рабочем зазоре) есть жидкость, то в интервале времени t2…t3  INT0 будет присутствовать уровень лог.0 а на выводе PB1 микроконтроллера- лог.1 (е), цифровой частотомер включен. Если жидкости нет (воздух), на выводе PB1 – лог. 0, цифровой частотомер не срабатывает (не считает импульсы) и отображающее устройство ничего не показывает. Период следования запуска импульсом (время между циклами) – 5 мс. Сигнал по металлу не попадает во временные ворота. Временной селектор реализован  программно. Устройство управления с вышеуказанным алгоритмом работает очень устойчиво и достоверно.

Электрическая принципиальная схема представлена на ПЛАКАТЕ 4.

Далее была разработана программа и методика метрологической атесттации, в ходе которой были установлены метрологические характеристики порционного расходомера жидкости, выбран диапазон  расхода и вспомагательные средства измерения.

В технологической части выпускной работы разработали операции контроля дополнительной погрешности расходомера жидкости при изменении напряжения  питания от сети.

В экономической части мы произвели расчет себестоимости и цены изделия.

При проведении анализа вредных факторов, которые возникают при эксплуатации порционного расходомера жидкости, были выявлены следующие:

- вероятность пожара;

- пыль;

- вибрации;

- шум.

Спасибо за внимание, доклад окончен.