Счетчики ультразвуковые

Министерство образования и  науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное  образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Уфимский государственный нефтяной технический университет»

 

 

 

Кафедра «Транспорт и хранение нефти и газа»

 

 

 

 

 

 

 

Счетчики  ультразвуковые

реферат по дисциплине: «Физические  основы учета нефти и газа при  технологических операциях»

0200.074.416.О11

 

 

 

 

 

Студент гр. МТ-10-01                                                                             М. М. Свияжский

 

Руководитель                                                                                           Р. М. Жиганнуров

 

 

 

 

 

Уфа

2012

 

Содержание

1 Метод измерений……………………………………………………………..…...….3

1.1 Принцип измерений………………………………………………………………..3

1.2 Методы определения времен  прохождения ультразвукового импульса……….3

1.3 Виды ультразвуковых преобразователей  расхода…………………...……….….5

1.4 Объемный расход в рабочих  условиях……………………………...…………....5

1.5 Массовый расход и объемный  расход газа, приведенный к стандартным

 условиям…………………………………………………………………………….....7

1.6 Основные уравнения для определения  количества газа……………..………….7

1.7 Объемный расход и объем  сухой части влажного газа, приведенные  к

стандартным условиям………………………………………………………….…..…9

1.8 Энергосодержание газа……………………………………………….…….….…10

2 Условия проведения измерений………………………………………….……..….10

2.1 Условия применения УЗПР, вычислителя  и СИ параметров потока газа….....10

2.2 Измеряемая среда………………………………………………………....………11

Приложение А (справочное) Варианты расположения акустических путей…..…13

3 Термины и определения……………………………………………………..……..15

Список использованных источников………………………………………….…….17

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

1 Метод измерений

1.1 Принцип измерений

Принцип измерений  с помощью УЗПР основан на том, что ультразвуковой импульс, направленный вдоль потока, распространяется быстрее  ультразвукового импульса, направленного  против потока.

Разность  времен прохождения ультразвукового  импульса, а также время прохождения  импульсов по направлению потока газа и против него зависят от средней  скорости газа вдоль акустического пути.

Формула для  расчета средней скорости потока вдоль акустического пути имеет  вид:

 

                                      (1.1)

 

1.2 Методы определения времен прохождения  ультразвукового импульса

Средняя скорость потока вдоль акустического пути может быть определена путем прямого  измерения времен прохождения ультразвукового  импульса по направлению и против направления движения потока газа (времяимпульсным  методом), а также с использованием фазового или частотного метода.

Фазовый метод  основан на измерении фазовых  углов двух постоянных ультразвуковых колебаний с циклической частотой ω и их фазовых сдвигов, возникающих от разности времен прохождения этими колебаниями одного и того же расстояния по потоку и против него.

Циклическая частота, в зависимости от частоты  колебаний, определяется по формуле:

 

                                            (1.2)

 

 

3

При прохождении  ультразвукового импульса одного и  того же расстояния по потоку и против него фазовые углы примут значения:

 

;                                                   (1.3)

 

 

.                                                   (1.4)

      

 

Из уравнений (1.1), (1.3) и (1.4) следует, что

 

   .                                                       (1.5)

 

Частотный метод основан на зависимости  разности частот повторения коротких импульсов или пакетов ультразвуковых колебаний от разности времен прохождения  этими колебаниями одного и того же расстояния по потоку и против него.

В частотноимпульсных расходомерах вырабатываются короткие импульсы, которые поступают к ПЭА с интервалами, равными времени прохождения ультразвука по направлению потока и против него.

Тогда

     ;                                                         (1.6)

 

      ;                                                      (1.7)

 

     .                               (1.8)

 

Формула (1.1) с учетом уравнения (1.8) примет вид

.                                             (1.9)

 

4

Малость величины f2 –f1 у частотных расходомеров является существенным недостатком, затрудняющим точное измерение расхода газа. В частотнопакетных расходомерах вырабатываются не короткие импульсы, а непрерывные сигналы в течение всего времени прохождения ими акустического пути.

 

1.3 Виды ультразвуковых преобразователей  расхода

1.3.1 УЗПР  различают:

 по методам  измерений средней скорости вдоль  акустического пути виду (отраженным  или прямым является луч), количеству  и размещению ультразвуковых  каналов; устройству и способам  монтажа ПЭА.

1.3.2 УЗПР  могут быть одноканальными или  многоканальными (однолучевыми или многолучевыми).

Основные  варианты расположения акустических путей, используемые в УЗПР, приведены в  Приложении А.

1.3.3 Лучи  ультразвуковых каналов могут  быть прямыми или отраженными  (однократно или многократно)  от внутренней стенки УЗПР.

Лучи ультразвуковых каналов могут быть расположены  в диаметральной плоскости УЗПР или в плоскостях, проходящих через хорды его сечения.

 

1.4 Объемный расход в рабочих  условиях

1.4.1 Одноканальный  УЗПР

Объемный  расход газа в рабочих условиях связан со средней скоростью прохождения газа через поперечное сечение УЗПР следующим образом:

 

  .                                  (1.10)

 

 

 

 

5

Для вычисления значения средней скорости газа через  поперечное сечение УЗПР необходимо знать значение поправочного коэффициента на распределение скоростей:

 

         .                         (1.11)

 

Таким образом, расход газа может быть вычислен по измеренной средней скорости потока газа вдоль акустического пути по следующей формуле:

 

     .                                (1.12)

 

Значение является функцией числа , шероховатости стенок трубопровода (для турбулентных режимов течения) и расположения акустического канала.

 

1.4.2 Многоканальный  УЗПР

При использовании  многоканального УЗПР с применением интегрирующей техники объемный расход может быть вычислен по формуле:

               

          ,                              (1.13)

 

где n – число каналов;

u_i – средняя скорость газа вдоль i-го канала;

 

        .                                      (1.14)

    

Значения  весовых коэффициентов зависят  от количества и расположения акустических каналов.

 

 

 

 

6

1.5 Массовый расход и объемный  расход газа, приведенный к стандартным  условиям

Массовый  расход газа рассчитывают по измеренным значениям объемного расхода и измеренной или рассчитанной плотности газа:

 

           .           (1.15)

 

Объемный  расход рассчитывают путем приведения объемного расхода к стандартным условиям по формуле:

 

    .                    (1.16)

 

1.6 Основные уравнения для определения  количества газа

1.6.1 Количество газа (, , m ), прошедшего по ИТ за определенный период времени τ, с использованием информации о приращении объема газа, получаемой от УЗПР, рассчитывают по следующим уравнениям:     

где ΔVoi – приращение объема газа за интервал времени осреднения параметров газа.

 

 

 

7

1.6.2 Количество  газа (, , m), прошедшего по трубопроводу за определенный период

времени τ, с  использованием информации о расходе  газа при рабочих условиях, получаемой

от УЗПР, рассчитывают по следующим уравнениям:

 при дискретном  интегрировании функций во времени  τ с интервалами дискретизации  Δτi:

при дискретном интегрировании функций во времени  τ с равномерным интервалом

дискретизации Δτ:

 

Где

 

n – количество интервалов дискретизации в течение времени (

 

 

 

 

 

 

8

1.6.3 Значения  параметров, входящих в формулы  (1.17) - (1.25), могут быть результатами  вычислений по средним параметрам, необходимыми для их расчета,  или приняты условнопостоянными величинами. Например, величина может быть результатом усреднения нескольких измерений средней скорости газа; значение ρс и состав газа могут быть приняты условнопостоянными величинами.

1.7 Объемный расход и объем сухой  части влажного газа, приведенные  к стандартным условиям

Расчет объемного  расхода и объема сухой части  влажного газа, приведенные к стандартным  условиям, выполняют по формулам:

 

 

где – абсолютная влажность газа, выраженная массой водяного пара (в кг) в 1 при рабочих условиях.

 

 

 

 

 

 

 

9

1.8 Энергосодержание газа

Энергосодержание газа определяют по формуле:

 

                                                                (1.31)                                    

 

Для определения  объемной удельной теплоты сгорания газа применяют методы по ГОСТ Р 8.577. При неизвестном полном компонентном составе газа допускается определять объемную удельную теплоту сгорания по ГОСТ 30319.1 и ГОСТ 22667.

 

2 Условия проведения измерений

2.1 Условия применения УЗПР, вычислителя  и СИ параметров потока газа

2.1.1 Условия  применения УЗПР и СИ должны  соответствовать требованиям их  изготовителей:

а) к климатическим условиям эксплуатации;

 б) рабочим условиям эксплуатации (давлению, температуре, плотности и скорости потока газа);

в) допустимой напряженности постоянных и переменных магнитных полей, а также

г) уровню индустриальных радиопомех;

           д) допустимому уровню вибрации трубопровода;

е) характеристикам электропитания.

2.1.2 Диапазоны  измерений применяемых УЗПР и  СИ должны соответствовать диапазонам  изменений параметров потока  газа. Максимальные и минимальные  значения измеряемых параметров  должны перекрываться диапазонами  измерения УЗПР и СИ.

10

В случае применения СИ, погрешность которых нормирована  как

приведенная, рекомендуется, чтобы максимальное значение измеряемого параметра было как можно ближе к 90 % верхнего предела измерений соответствующего СИ.

 

2.1.3 Погрешности  УЗПР, вычислителя и СИ параметров  потока газа должны соответствовать  требованиям.

2.1.4 УЗПР  и СИ параметров потока газа  должны быть включены в Государственный  Реестр СИ РФ. УЗПР и СИ могут  применяться только при наличии  положительных результатах их  поверки. Все СИ, входящие в  состав измерительного комплекса  с УЗПР, должны иметь действующие свидетельства о поверке.

 

2.2 Измеряемая среда

2.2.1 Измеряемой  средой является природный газ.

Параметры природного газа (компонентный состав, давление и  температура) должны находиться в пределах, при которых обеспечиваются:

а) возможность расчета или измерения плотности (фактора сжимаемости) газа при рабочих условиях с известной погрешностью;

 б) отсутствие условий для образования гидратов в ИТ.

2.2.2 Следует избегать наличия жидких и/или твердых включений в потоке газа. Допустимые концентрации этих включений не должны превышать указанных пределов в эксплуатационной документации на УЗПР.

Изготовитель  должен информировать о возможности  использования УЗПР при следующих  характеристиках среды:

а) содержание диоксида углерода в газе свыше 10 %;

б) плотность газа близка к критической плотности (0,9<Т/<1,1 и 0,7<ρ/<1,3);

в) массовая доля серы, включая меркаптаны, сероводород и другие сернистые соединения, превышает 0,1 %.

 

11

Значения  критических плотностей и температур газа следует устанавливать на основе официальных данных, утвержденных Федеральным агентством по техническому регулированию и метрологии Российской Федерации и Государственной службой стандартных справочных данных (ГСССД).

2.2.3 Течение  потока газа в ИТ может быть стационарным, квазистационарным или пульсирующим.

УЗПР могут  использоваться для измерения нестационарных потоков газа, если основная частота  спектра потока газа не превышает  его полосы пропускания.

2.2.4  Для снижения влияния на показания УЗПР акустических шумов, генерируемых установленной в потоке запорной арматурой (задвижки, клапаны, редукторы и т.п.), рекомендуется использовать УЗПР с рабочей частотой ПЭА выше 100 кГц.

2.2.5 Рекомендуется использование УЗПР при развитых турбулентных режимах течения газа при не менее 5000.

2.2.6 Фазовое  состояние газа при прохождении  через ИТ и в процессе измерений не должно изменяться. Принято, что фазовое состояние газа не меняется, если давление газа ниже давления его конденсации. Давление конденсации смеси газов может быть рассчитано в соответствии с ГСССД МР 107

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

12

Приложение А

(справочное)

Варианты  расположения акустических путей

А.1 На практике используются УЗПР с одним или  несколькими отраженными или  прямыми акустическими лучами.

Одноканальные расходомеры применяют для измерения  расхода газа с развитым профилем скорости и в случаях, когда не требуется высокой точности.

Многоканальные  расходомеры позволяют минимизировать эффекты, вызванные распределением скоростей потока и числом . Они имеют высокую надежность, если электронная схема устройства обработки сигналов обеспечивает дублирование или корректировку алгоритма расчета при выходе из строя одного или ряда ПЭА.

На рисунках А.1 и А.2 показаны в качестве примеров варианты расположения акустических путей. На практике могут быть применяться  и другие варианты.

Рисунок А.1 – Однолучевые УЗРП

 

13

 

Рисунок А.2 – Многолучевые УЗРП

 

 

 

14

 

3 Термины и определения

3.1 Ультразвуковой преобразователь расхода: акустический преобразователь расхода, работающий в ультразвуковом диапазоне частот, в котором создается сигнал измерительной информации, основанный на зависимости акустического эффекта в потоке газа от ее расхода. Ультразвуковой преобразователь расхода состоит из первичного ультразвукового преобразователя расхода и устройства обработки его сигналов.

3.2 Первичный ультразвуковой преобразователь расхода: специально изготовленный участок трубопровода, удовлетворяющий требованиям настоящего стандарта и содержащий преобразователи электроакустические.

3.3 Преобразователи электроакустические: устройства, преобразующие электрическую энергию в акустическую (энергию упругих колебаний среды) и обратно. Преобразователи электроакустические, используемые в первичных ультразвуковых преобразователях расхода, являются передатчиками и приемниками ультразвуковых волн.

3.4 Устройство обработки сигналов: устройство, осуществляющее генерацию сигналов, поступающих на преобразователи электроакустические, обработку сигналов, поступающих с преобразователей электроакустических и формирование стандартного выходного сигнала, пропорционального измеряемому расходу газа.

3.5 Вычислитель расхода: устройство, принимающее данные от устройства обработки сигналов, а также показания датчиков температуры и давления, и вычисляющее расход и количество газа, приведенные к стандартным условиям. Вычислитель расхода может дополнительно принимать и учитывать показания хроматографа и плотномера.

3.6 Акустический канал: совокупность измеряемой среды и пары преобразователей электроакустических, передающих сигналы с помощью ультразвуковых колебаний.

 

 

15

3.7 Акустический луч: линия, вдоль которой распространяется звуковая энергия, испущенная преобразователем электроакустическим в определенном направлении.

3.8 Одноканальный ультразвуковой преобразователь расхода: преобразователь расхода, в котором для измерения расхода используется один акустический канал.

П р и м е ч а н и е 1 — Одноканальные ультразвуковые преобразователи часто в технической литературе называют однолучевыми или однопутевыми расходомерами.

3.9 Многоканальный ультразвуковой преобразователь расхода: преобразователь расхода, в котором для измерения расхода используется несколько акустических каналов.

П р и м е ч а н и е 1 — Многоканальные ультразвуковые преобразователи часто в технической литературе называют многолучевыми или многопутевыми преобразователями расхода.

П р и м е ч а н и е 2 — Звуковая энергия в многоканальном первичном преобразователе расхода может передаваться между преобразователями электроакустическими в виде прямых или отраженных (однократно или многократно) от стенок измерительного трубопровода акустических лучей.

3.10 Акустический путь: траектория движения акустического импульса между преобразователями электроакустическими в потоке газа.

3.11 Ультразвуковой импульс: сигнал (ультразвуковые колебания, волны в газе), генерируемый преобразователями электроакустическими при подаче на него возбуждающего электрического сигнала ограниченной продолжительности.

3.12 Незатухающие ультразвуковые колебания в среде: сигналы, генерируемые преобразователями электроакустическими при подаче непрерывного возбуждающего электрического сигнала.

3.13 Измерительный трубопровод: прямые участки трубопровода, между которыми установлен ультразвуковой преобразователь расхода.

 

 

 

 

 

16

 

Список использованных источников

 

1 Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества. – Л.: Машиностроение, Ленинградское отделение, 1989.

2 ISO/TR 12765:1998(E) Measurement of fluid flow in closed conduits – Methods using transit-time ultrasonic flowmeters. Technical report.

3 A.G.A. Report N.9. Measurement of Gas by Ultrasonic Meters Transmission Measurement Committee Operating Section American Gas Association, 1997.

4 Сычев В.В и др. Термодинамические  свойства азота. – М.: Изд-во  стандартов, 1977. – 352 с.

5 Offshore Engineering Standards. Doc. № A3000SJ030 Dec. 1999. Code of practice for ultrasonic flowmeters – for general use/custody transfer.

6 Костылев В.В. и др. Принципы построения многоканального ультразвукового расходомера. – Труды 12-й Международной научно-практической конференции "Совершенствование измерений расхода жидкости, газа и пара", 23-25 апреля 2002 г./ Под ред. В.И. Лач-кова – СПб.: Борей-Арт, 2002. – 288 с.

    7 ГСССД МР 107-98 Определение плотности, объемного газосодержания, показателя изоэнтропии и    вязкости газоконденсатных смесей в диапазоне температур 240…350 К при давлениях до 10 МПа.

 8 ПР 50.2.006-94 Государственная система обеспечения единства измерений. Порядок проведения поверки средств измерений.

   9 ПР 50.2.009-94 Государственная система обеспечения единства измерений. Порядок проведения испытаний и утверждения типа средств измерений.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

17