Ультразвуковой расходомер



Содержание

Техническое задание……………………………………………………………………………3

Введение…………………………………………………………………………………….……4

1.Классификация УЗ расходомеров. Принцип действия …………………………...…...5

2.Состав УЗ расходомера…………………………………………………………………….9

3. Ультразвуковой жидкостный расходомер Daniel 3812 …………………………...….11

4. Ethernet модуль  JetI/O 6510…………………………………………………………...….16

Заключение………………………………………………………………………………….…18

Список литературы………………………………………………………………………….19

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Техническое задание

1)Разработать структуру  измерительной системы

2)Диапазон рабочих давлений:

  • от 0 до 2250 фунтов на кв. дюйм(от 0 до 155 бар)

    • 3)Температура технологического продукта:

  • от -58°F до +302°F (от -50°C до +150°C)

    • 4)Проводной интерфейс передачи данных до 2 км

    5)Погрешность

    ± 0,10%

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

    Введение

     

    Расходомер – это прибор, который позволяет измерять расход вещества в сечении трубопровода за определенный промежуток времени. Его можно использовать как для проведения измерений в жилых зданиях, так и в промышленности.

    Ультразвуковые расходомеры жидкости, воды и газа - это расходомеры, принцип действия которых заключается в измерении какого-либо эффекта (в зависимости от расхода), создающего при прохождении акустических колебаний сквозь поток жидкости или газа. Большинство акустических расходомеров работают в ультразвуковом диапазоне. Ультразвуковые многофункциональные расходомеры предназначены для коммерческого и оперативного учета жидкости и газа в напорных трубопроводах.

    Возможные объекты и области применения расходомеров:

    - магистральные нефтепроводы; 
    - нефтебазы и узлы учета; 
    - магистральные газопроводы; 
    - узлы замера газа; 
    - газораспределительные станции; 
    - нефтехимические предприятия; 
    - предприятия химической промышленности; 
    - фармацевтическая промышленность; 
    - пищевая промышленность.

     
     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

    1.Классификация ультразвуковых  расходомеров. Принцип действия.

    Ультразвуковыми расходомерами называют расходомеры, принцип действия которых заключается в измерении какого-либо физического эффекта (в зависимости от расхода) , создающего при прохождении акустических колебаний сквозь поток жидкости или газа. Большинство акустических расходомеров работают в ультразвуковом диапазоне частот.

    Рисунок 1.1 - Классификация ультразвуковых расходомеров

    1)Фазовые ультразвуковые расходомеры - это ультразвуковые расходомеры, работающие по принципу зависимости фазовых сдвигов ультразвуковых колебаний, образующихся на приемных пьезоэлементах, от разности временного прохождения колебаниями одинакового расстояния по потоку движущейся жидкости или газа и против потока. В настоящее время существует несколько схем одно- и двухканальных фазовых расходомеров. В одноканальных вихревых расходомерах реализованы различные схемы переключения пьезоэлементов с излучения на прием (например, схемы с одновременной посылкой коротких ультразвуковых пакетов и одновременным переключением пьезоэлементов с излучения на прием; помощью мультивибратора; переключение с помощью особого генератора, создающего сигналы двух форм, один из которых включает генератор, а второй сигнал переключает пьезоэлементы на прием и т.д.).  
    Одноканальные фазовые вихревые расходомеры не требуюют переключения с излучения на прием, в них оба пьезоэлемента непрерывно излучают ультразвуковые колебания двух разных, но весьма близких частот ( например 6 МГц и 6,01 МГц). Фазовые расходомеры были наиболее распространены среди ультразвуковых, но в настоящее время распространение получили другие расходомеры, дающие более высокую точность измерения.

    2)Частотные ультразвуковые расходомеры - это ультразвуковые расходомеры, работающие на принципе зависимости разности частот повторяющихся коротких импульсов ультразвуковых колебаний от разности времен прохождения ультразвуковыми колебаниями одинакового пути по потоку жидкости (газа) и против потока.

    Частотные ультразвуковые расходомеры бывают частотно-пакетными (при измерении разности частот пакетов ультразвуковых колебаний, проходящих через газ или жидкость) и частотно-импульсными (при измерении разности проходящих через среду коротких импульсов).  
    В частотно-импульсных ультразвуковых расходомерах генератор создает короткие импульсы, которые направляются с интервалами, равными времени прохождения ультразвука по направлению скорости потока и против направления скорости потока, к излучающим пьезоэлементам. У таких расходомеров частоты больше в два раза, относительно частотно-пакетных расходомеров. У частотных расходомеров разность частот пакетов небольшая, что затрудняет точное измерение. Для нивелирования этого недостатка и для увеличения разности частот пакетов, используемых в частотных расходомерах, в большинстве случаев применяют одноканальную схему.

    3)Времяимпульсные ультразвуковые расходомеры - это ультразвуковые расходомеры, измеряющие разность времен прохождения коротких импульсов направлении потока жидкости или газа и против потока на расстоянии L.  
    Времяимпульсные ультразвуковые расходомеры в основном одноканальные и работают на импульсах 0,1-0,2 мкс, посылаемых поочередно или одновременно навстречу друг другу с частотой примерно 0,5 кГц. Такие ультразвуковые расходомеры предназначены для измерения объемного расхода. Чтобы определять массовый расход используют ультразвуковые расходомеры с коррекцией на скорость звука и плотность измеряемого вещества, в которых устанавливается дополнительный возбуждаемый на резонансной частоте пьезоэлемент, направляющий акустические колебания в измеряемое вещество. Снимаемое с него напряжение, прямо пропорционально удельному акустическому сопротивлению вещества, при условии, что сопротивление вещества значительно меньше сопротивления генератора. Умножение электрического сигнала от пьезоэлемента, на пропорциональный объемному расходу сигнал, дает в итоге сигнал, прямо пропорциональный массовому расходу.

    4) Допплеровские ультразвуковые расходомеры работают по принципу измерения, зависящего от расхода допплеровской разности частот, возникающих вследствие отражения акустических колебаний неоднородностями потока. Разность зависит от скорости частицы, отражающей акустические колебания и скорости с распространения этих колебаний. Вычисляемая разность частот служит для измерения скорости частицы отражателя, что равнозначно вычислению местной скорости потока.  
    Допплеровские ультразвуковые расходомеры обладают низкой точностью (2-3%) вследствие того, что выходной сигнал состоит из спектра разных частот, образующихся в результате сдвига исходной частоты большим количеством частиц, имеющих отличные скорости. В доплеровских ультразвуковых расходомерах используется отражение ультразвуковых колебаний движущимися частицами потока.  Доплеровские расходомеры измеряют местную скорость звука. В трубах малого и среднего диаметров эти расходомеры могут измерять среднюю скорость по диаметру или части площади трубы. В трубах больших диаметров при наличии прямых участков достаточной длины отражатель должен находиться на расстоянии 0,12 D от стенки трубы, где скорость соответствует средней скорости потока. В противном случае необходима индивидуальная градуировка расходомера.

     

    Рис. 1.2. Схема  доплеровского преобразователя

     

    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 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.

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

    2.Состав УЗ расходомера.

    В состав ультразвукового расходомера  в зависимости от исполнения и  количества каналов (трубопроводов) входят:

    а) Для однолучевых ультразвуковых расходомеров:

    - до четырех ультразвуковых  преобразователя расхода (УПР) с установленными пьезоэлектрическими датчиками (ПЭП) из титана;

    - электронный блок прибора(ЭБ);

    - соединительный кабель  для датчиков РК-50.

    Рис.2.1 Одноканальный ультразвуковой расходомер.

    б) Для двухлучевых ультразвуковых расходомеров:

    - до двух УПР с установленными ПЭП;

    - ЭБ;

    - кабель РК-50.

    Рис.2.2 Одноканальный двухлучевой ультразвуковой расходомер.

    в) Для четырехлучевых ультразвуковых расходомеров:

    - один УПР с установленными ПЭП;

    - ЭБ прибора;

    - кабель РК-50.

    Рис.2.3 Одноканальный четырехлучевой ультразвуковой расходомер.

    г) Для врезных ультразвуковых расходомеров:

    - до четырех пар ПЭП  с комплектом монтажных частей;

    - ЭБ прибора;

    - кабель РК-50.

    Рис.2.4 Врезной ультразвуковой расходомер.

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

    3.Ультразвуковой жидкостный расходомер Daniel 3812

     

     

     

     

     

     

     

    Рис.4.1 Расходомер Daniel 3812

    Расходомер Daniel 3812 является линейным ультразвуковым расходомером, измеряющим время прохождения звуковых импульсов, перемещающихся диагонально в двух параллельных плоскостях по трубе в направлении по потоку и против него. В каждом канале интегрально установлены два ультразвуковых преобразователя. Каждая пара преобразователей действует поочередно в качестве передатчика и приемника. Разность времени прохождения пропорциональна средней скорости потока по акустическим каналам и преобразуется в выходной сигнал с последующим отображением в виде объемного расхода.

    Встроенная усовершенствованная  диагностика MeterLink™ обеспечивает возможность выполнения экспертного анализа потока, а также позволяет получить наглядное представление об исправности счетчика. Циклы калибровки могут быть расширены для минимизации эксплуатационных затрат и затрат на техническое обслуживание. Ультразвуковой расходомер Daniel 3812 является частью широкой линейки изделий компании Emerson, состоящей из микропроцессорных полевых устройств, которые обеспечивают работу цифровых устройств PlantWeb. Расходомер 3812 передает предварительные данные диагностики и переменные значения технических параметров по протоколу HART. Это позволяет персоналу завода быстро определять нештатные ситуации и реагировать на них, избегая тем самым технологических нарушений и незапланированных остановов.

    Стандартные применения

    Настоящий ультразвуковой жидкостный расходомер Daniel 3812 применяется во множестве областей, не связанных с коммерческим учетом, например:

    1) Нефтегазовая промышленность

    -определение места

    -измерение выходящих потоков

    -погрузка и выгрузка

    2) Промышленные технологические процессы

    -дозирование и смешивание

    -измерение охлаждающей воды

    -измерение сред и продукции завода

    3) Трубопроводы

    -обнаружение утечек

    -измерение расхода сырой и очищенной нефти

    4) Терминал

    -погрузка и отгрузка

    -измерения в резервуарных парках/хранилищах

     

    ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

     

    Стандартные рабочие характеристики и материалы конструкции.

     

    Тип расходомера 

    • Количество каналов:

  • Двухканальная хордовая конструкция (с четырьмя преобразователями)

    • • Ультразвуковой тип:

  • Измерение на основе времени прохождения 

  • Трубная секция с интегрально установленными преобразователями 

    • Рабочие характеристики расходомера 

    • Линейность:

  • ± 0,30% от измеренного значения в диапазоне от 40 до 4 футов/с (от 12,2 до 1,2 м/с)

    • • Воспроизводимость:

  • ± 0,10% от измеренного значения

    • • Диапазон скоростей:

  • Номинальный диапазон от 40 до 2 футов/с (от 12,2 до 0,6 м/с) с выходом за пределы диапазона до 48 футов/с (14,6 м/с)

    • • Калибровка:

    •Все расходомеры прошли гидравлические испытания на предприятии Daniel Flow Facility

    Технологические параметры 

    • Температура  технологического продукта:

  •  от -58°F до +302°F (от -50°C до +150°C)

    • • Диапазон удельной плотности:

    от 0,30 до 1,5 единиц

    Технические характеристики расходомера 

    • Линейные размеры:

  • Номинальный диаметр от 4" до 36"

    • • Диапазон рабочих  давлений:

  • • от 0 до 2250 фунтов на кв. дюйм(от 0 до 155 бар)

    • Фланцы*:

    • Фланец с выступом и кольцевым соединением (RTJ) для классов давления ANSI 150, 300, 600, 900 (PN 20, 50, 100, 150)

    • Соответствие требованиям NACE:

  • • Спроектирован в соответствиис требованиями NACE**

    • • Влажность:

               •До 95% без образования конденсата

     

    Технические характеристики блока электроники 

    • Питание:

              10,4-36 В постоянного тока

  • 8 Вт – нормальная мощность 

  • 11 Вт – максимальная мощность 

    • • Диапазон температур окружающей среды:

                   от -40°F до +140°F (от -40°C до +60°C)

    • Диапазон температур хранения: от -58°F до +185°F (от -50°C до +85°C)

    Ввод/вывод 

    • Один (1) порт Ethernet (TCP/IP)

  • До 100 Мб/с

  • Modbus TCP

    • • Один (1) порт последовательного ввода-вывода RS232/RS-485

  • 2 или 4 провода 

  • Скорость передачи данных от 1,2 до 115 кбод/с

  • Modbus RTU/ASCII

    • • Максимальная длина кабеля (с кабелем Beldon № 9940 или эквивалентным)

  • При связи по RS-232: 250 футов (88,3 м) при скорости 9600 бод/с

  • При связи по RS-485: 1970 футов (600 м) при скорости 57 600 бод/с

    • • До трех (3) частотных выводов для измерения объемного расхода

    - Индивидуально настраиваемый частотный диапазон 0-1000 Гц или 0-5000 Гц (выход за пределы частотного диапазона 150% полной шкалы)

    - Индивидуально настраиваемый для измерений прямого, обратного, абсолютного или двунаправленного потоков

    - Индивидуально программно настраиваемыйдля открытого коллектора или TTL

    - Пара обеспечивает защиту по API уровня B

  • Физические линии сигналов совместно используются цифровыми выводами. Каждая линия независимо настраивается на работу в качестве частотного или цифрового вывода, обеспечивая комбинирование типов выводов 

    • • Два (2) аналоговых вывода для объемного расхода

    - Один вывод 4-20 мА HART

    - Один обычный вывод 4-20 мА

    - С внутренним питанием и магнитной изоляцией до 1500 В

    • Два аналоговых ввода (16-битных) для давления и температуры

    - Два обычных входа 4-20 мА

    - Магнитная изоляция до 1500 В

    • До трех (3) цифровых выводов для подтверждения данных или направления потока

    - Индивидуально программно настраиваемый для открытого коллектора или TTL

    - Физические линии сигналов совместно используются частотными выводами. Каждая линия независимо настраивается на работу в качестве частотного или цифрового вывода, обеспечивая комбинирование типов выводов

    • Один (1) цифровой ввод

    - Требует замыкания контактов

     

    Программное обеспечение для эксплуатации/конфигурирования

    - Программное обеспечение Daniel MeterLinkTM на основеWindows® (требуется для конфигурирования датчика)

    - Требует полнодуплексной связи по RS-232, RS-485 илиEthernet

    - При использовании протокола HART® конфигурируется с помощью AMS™ Device Manager или полевого коммуникатора 375 или 475

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

    4. Ethernet модуль  JetI/O 6510

    Рис.5.1 JetI/O 6510

    JetI/O – серия интеллектуальных модулей ввода/вывода для удаленного контроля и управления. Устройства оборудованы портами Ethernet, несколькими аналоговыми, дискретными входами/выходами и входами для измерения температуры. Модули JetI/O в сети Ethernet одновременно могут выполнять задачи настройки (при помощи HTTP, Telnet, утилит Windows) и заниматься сбором данных и управлением в режиме реального времени.

    Основные особенности модулей  JetI/O

    - Наличие модулей аналогового и дискретного ввода/вывода, а также модулей ввода сигналов с датчиков температуры

    - Поддержка протокола Modbus/TCP

    - Встроенный ОРС-сервер Modbus/TCP

    - Конфигурирование при  помощи Windows-утилит,Web-браузера, Telnet, SNMP. Предоставляются примеры на С++ с кодами .DLL

    - Гибкие пользовательские  правила передачи данных ввода/вывода

    - Автоматическая активация  событий при помощи SNMP Trap

    - Встроенный сторожевой  таймер и часы реального времени

    - Модули с возможностью  монтажа на DIN-рейку

    - Алюминиевый корпус, исполнение IP31

    Параметры JetI/O 6510

    ••  8 каналов аналогового ввода по напряжению и току

    ••  Рабочий диапазон: ±10 В, ±5 В, ±1 В, ±500 мВ, ±150 мВ, ±20 мА

    ••  Разрешение 16 бит, малая погрешность

    ••  Активные тревоги для высокого и низкого напряжения/тока

    ••  Поддержка драйвера ОРС сервера

    ••  Утилиты Windows, OPC сервера, протокол Modbus/TCP

    ••  Управление SNMP и Web

    ••  Сетевой интерфейс: Ethernet 10/100TX

    ••  Встроенные часы реального времени и сторожевой таймер

    •• Монтаж на DIN-рейку, прочный алюминиевый корпус, класс защиты IP31

    •• Диапазон рабочих  температур: от -25 до +70°С

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

    Заключение

    В ходе данного курсового  проекта был создан ультразвуковой расходомер с проводным интерфейсом  передачи данных до двух километров. Среди всех методов измерения расхода выделяют ультразвуковые расходомеры, так как они обладают рядом следующих достоинств:

    - возможность измерения  расхода любых жидкостей (не  содержащих газовых включений), в  том числе агрессивных и вязких, в любых трубах, имеющих диаметр,  начиная от 10 до 20 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;

    - очень небольшая величина  или даже полное отсутствие  дополнительной потери давления.

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

    Список литературы

    1. Каталог продукции Korenix.( Ethernet модуль  JetI/O 6510 )

    http://www.proektant.org/catalogs/by-01/02825_Korenix_catalog_2008_rus.pdf

    1. Ультразвуковой жидкостный расходомер Daniel 3812. Лист технических данных. http://www.metran.net/_3812_rus.pdf
    2. Классификация УЗ расходомеров. http://www.ultrasonic-time.ru/ultrasonic_klass.html