CC BY
13
УДК 621.6
C.I. МЕЛЬНИЧУК, 1.З. МАНУЛЯК
Iвано-Франкiвський нацiональний технiчний ушверситет нафти i газу
МЕТОДИ ТА ЗАСОБИ ФОРМУВАННЯ 1НФОРМАЦ1НО-ВИМ1РЮВАЛЬНИХ СИГНАЛ1В В ПЕРВИННИХ ПЕРЕТВОРЮВАЧАХ ВИТРАТИ ГАЗУ
Проведено аналгз первинних перетворювачгв витрати газу на основi характеристик точностг та по типу вихiдного сигналу.
Ключовi слова: первинний перетворювач, витрата, вимiрювання.
С.И. МЕЛЬНИЧУК, И.З. МАНУЛЯК
Ивано-Франковский национальный технический университет нефти и газа
МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ФОРМИРОВАНИЯ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИГНАЛОВ В ПЕРВИЧНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯХ РАСХОДА ГАЗА
Проведен анализ первичных преобразователей расхода газа на основе характеристик точности и по типу выходного сигнала.
Ключевые слова: первичный преобразователь, расход, измерения.
S.I. MELNYCHUK, I.Z. MANULYAK
Ivano-Frankivsk National Technical University of Oil and Gas
METHODS AND MEANS OF FORMATION INFORMATION-MEASURING SIGNALS IN THE PRIMARY CONVERTER OF GAS CONSUMPTION
The analysis of the primary converters gas flow based on the characteristics of accuracy and the type of output signal.
Ключовi слова: primary converter, flow, measurement
Постановка проблеми
В останш роки у зв'язку i3 зб№шенням щн на газ, щдвищуються вимоги до об'ективносп облшу витрати газу. Створення вимiрювальних перетворювачiв е одшею з актуальних проблем, яку необхщно виршувати як в промисловому так i в побутовому секторах. Вдосконалення систем контролю i управлшня рiзними об'ектами, процесами, виробництвами визначаеться досягненнями в галузi вимiрювання витрати.
Загальна тенденцiя в розвитку вимiрювальних перетворювачiв, в тому чи^ i перетворювачiв витрат, зумовлена збшьшенням вимог точностi до них при одночасному ускладненнi експлуатацiйних умов. Все це змушуе проводити пошуки i розробку нових фiзичних явищ та матерiалiв, нових методiв опрацювання iнформацiйно-вимiрювальних сигналiв, як1 б дозволили виршувати задачi, що виникають в експлуатацшних умовах.
Аналiз останшх дослвджень i публiкацiй
При реалiзацil первинних перетворювачiв витрати газу традицiйно використовують перетворювачi типу геркона (низькочастотний сигнал) та давачi холла (високочастотний сигнал). Згадаш пристро! представляють данi про фжсоваш об'еми мiрного елементу. В останнш час розвиваються новi технологи, яш дозволяють, пiсля вiдповiдного опрацювання (реалiзуеться безпосередньо на замiрнiй дмнщ) подати данi в цифровiй форм^ зазвичай у бiнарному представленнi. З огляду на це виникае необхвдшсть провести систематизацiю та аналiз цифрових сигналiв, як1 представляють вимiрювану величину в первинних перетворювачах об'ему та об'емно! витрати газу.
Мета дослвдження. Провести дослiдження iнформацiйно-вимiрювальних сигналiв первинних перетворювачiв, особливостей !х формування та опрацювання, а також оцшку точносп первинних перетворювачiв витрати газового середовища.
Основний матерiал дослiдження.
Найпоширенiшi первинш перетворювачi швидкостi газових середовищ, що використовуються для реалiзацil iнформацiйно-вимiрювальних каналiв та вузлiв облiку на об'ектах нафтогазово! промисловостi, в яких джерелом шформаци про вимiрювальний параметр е величина рiзницi тисков, що створюеться стандартним звужуючим пристроем. Суть методу полягае в тому, що при проходженш потоку через звужуючий пристрш (рис. 1, а) вiдбуваеться змша його потенщально1 енерги, частина яко! внаслiдок мiсцевого стиснення потоку, ввдповщно зумовлюе збiльшення швидкостi, перетворюеться в шнетичну [1]. Змiна потенщально1 енерги призводить до появи рiзницi статичних тисков, яка перетворюеться дифманометром у вщповщш змiни амплiтуди електричного сигналу. Використання згаданого методу зумовлено рядом переваг: простоти, надiйностi, вiдсутностi рухомих конструктивних частин, легкостi серiйного виготовлення для широкого дiапазону тисков i температур вимiрювального середовища, низько1
вартосп та можливосп застосування без iндивiдуального градуювання. До недолiкiв слщ вiднести обмежений дiапазон Qmin /Qmax витрат, що не перевищуе 1:15. KpiM того, наявнiсть мехашчних домiшок у вимiрювальному середовищi, Гх налипания приводить до спотворення геометричних розмiрiв звужуючого пристрою, що в свою чергу погiршуe адекватнiсть i точнiсть перетворення. Типовим варiантом промисловоГ реалiзацii перетворювача згаданого типу е Rosemount 3051 SFC (виробник - Fisher Rosemount, США) (рис. 1, б). Основш характеристики Rosemount 3051 SFC: S = ±0.75%, дiалазон Qm\n /Qmax вимiрювання для виконання Classik складае 1:8.
0.4 0.3 0.2 0.1
Р1зниця тисюв
б)
ЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧ
0 0.2 0.4 0.6
в)
ччччТччччУ^
Частота формуваиия|_1 завихрень X
1 0 -1
0.4 0.2
г)
Рис. 1. Схема перетворювача ф1зично1 величини перепаду тиску та схема пер1одичних пульсацш тиску в1дпов1дно а) у електричний сигнал; б) для перетворювача Rosemount 3051 SFC; в) у електричний сигнал; г) для перетворювача OPTIWIRL 4070
1ншими пристроями, як1 часто використовуються в промисловосп, е перетворювач^ в яких джерелом iнформацii про вимiрювальний параметр е частота формування вихрiв (низькочастотних пульсацiй), яка перетворюеться у ввдповщт коливання амплiтуди електричного сигналу (рис. 1, в) [2]. До переваг первинних перетворювачiв такого типу можна ввднести вiдсутнiсть рухомих частин, надшшсть та простота виконання, незалежшсть результатiв спостережень в1д тиску та температури. До недолЫв слщ ввднести втрати тиску, що сягають 30-50 кПа, обмеження умовних дiаметрiв замiрноi дiлянки вiд 25 до 150-300 мм. Крiм того, згадаш перетворювачi не придатнi для використання при малих швидкостях
середовища, тобто коли Re < 10J ^ 10н [2].
Типовим варiантом промисловоГ реалiзацii згаданого класу перетворювачiв е OPTIWIRL 4070 (виробник - KROHNE, Нiмеччина) (рис. 1, г). Основш характеристики OPTIWIRL 4070: S = ±1.0% при Re > 20000 i S = ±2.0% при 10000 < Re < 20000, дiапазон Qmin /Qmax вимiрювання 1:80.
Розвиток методiв та засобiв цифрового опрацювання сигналiв зумовив створення акустичних ультразвукових перетворювачiв (рис. 2, а). Згаданi пристроГ грунтуються на визначеннi змiни швидкосп ультразвукових коливань, яка залежить ввд перемiщення вимiрювального середовища. До переваг ультразвукових перетворювачiв слiд ввднести: збереження техшко-експлуатацшних характеристик, висока точнiсть вимiрювання у широкому динамiчному дiапазонi, вщсутшсть рухливих i виступаючих у потж конструктивних елементiв, вiдсутнiсть втрат тиску, незалежшсть показiв вiд змiни електропровщносп середовища, можливiсть простоГ iмiтацiйноi перевiрки. Основними труднощами практичноГ реалiзацiГ' iнформацiйно-вимiрювальних каналiв на основi ультразвукових перетворювачiв е втрата вимiрювального сигналу за наявносп несиметричних профiлiв змiни швидкосп, при малих числах Re, необхщшсть постiйного контролю фiзико-хiмiчних властивостей вимiрювального середовища тощо [3].
Типовим варiантом промисловоГ реалiзацii згаданого класу перетворювачiв е FLOWSIC 600 (виробник - SICK/MAIHAK, Нiмеччина), що працюе при великих та атмосферних тисках (рис. 2, б). Основш характеристики FLOWSIC 600: S = ±0.2% при використанш 4-ох сенсорiв i S = ±2.0% при використанш 2-ох сенсорiв, дiапазон Qmin / Qmax вимiрювания 1:90.
З метою б№ш адекватного порiвияния первинних перетворювачiв витрати газу доцiльно розглянути пристроГ, яш широко використовуються при реалiзацii iнформацiйно-вимiрювальних каналiв (рис. 2, в). Принцип ди таких пристро1'в грунтуеться на фрагментаци вимiрювального середовища на фжсоваш об'еми, що в1дпов1дають одному циклу ходу мiрного елементу [4]. До першо1' категор^' первинних перетворювачiв згаданого типу можна вщнести камернi. Основш переваги таких первинних перетворювачiв - ввдносна простота виконання, широкий дiапазон вимiрюваиня, а також вiдсутнiсть впливу характеристик, зокрема забруднення, вимiрювального середовища на точшсть вимiрювання. Суттевими недолжами е створення додаткового опору на шляху протжання газового середовища, висока складшсть точного виготовлення рухомих чутливих елементiв (роторiв), необхiднiсть встановлення фiльтрiв, а також Гх мехаиiчне зношення в ходi експлуатацй. Типовим варiантом промисловоГ реалiзацii згаданого класу перетворювачiв е ТЕМП G250 (виробник - НВФ "Темпо", 1вано-Франк1вськ, УкраГна) (рис. 2, г) [2]. Основш характеристики ТЕМП G250: S = ±1.0% для дiапазону витрат Qt < Q < Qmax i S = ±2.0% для дiапазону витрат Qmin < Q < Qt, дiапазон Qmin / Qmax вимiрювания 1:160.
Перетворювачi витрати тахометричного типу, зокрема турбiннi, використовують частину енерг^ потоку вимiрюваного середовища, яку трансформують в обертальний момент осьового мiрного елементу (рис. 3, а). Типовим варiантом промисловоГ реалiзацiГ' згаданого класу перетворювачiв е ЛГ-К G400
Ей
1.0
0.2
0.4
0.6
0
(виробник - ВАТ "Промприлад", 1вано-Франшвськ, Укра!на) (рис. 3, б). Основш характеристики ЛГ-К 0400: 5 = ±1.0% для д1апазону витрат < Q < Qmax 1 5 = ±2.0% для д1апазону витрат
Qmin < Q < &, д1апазон Qmin / & тах вим1рювання 1:32.
Р1зниця частот повтору електричних iMnynbciB
Кшьюсть циклiв ходу ротора
U t
U г^иъ t
Рис. 2. Схема перетворювача величини, р1зниц1 часу проходження iмпульсiв та схема кiлькостi цикл1в ходу мiрного елементу в1дпов1дно а) у електричний сигнал; б) для перетворювача FLOWSIK 600; в) у електричний 1мпульсний сигнал; г) для перетворювача ТЕМП G250
1ншим вар1антом реал1заци первинних перетворювач1в камерного типу е пристро!, в яких основним джерелом вим1рювального сигналу е бютаб1льний струминний елемент, охоплений колами зворотного зв'язку - струминний автогенератор. Принцип ди такого перетворювача грунтуеться на виникненш перюдичних коливань, зумовлених протжанням частини вим1рюваного середовища через струминний автогенератор, рис. 3, в.
-——.--- г)
1 Частота обертання ""I турбши Ч Ч Ч V
б) .
0-4
Частота коливання струменя потоку
г 1 Ч''1
Рис. 3. Схема перетворювача частоти обертання м1рного елементу та схема перетворювача коливань струминний автогенератора ввдповвдно а) у електричний 1мпульсний сигнал; б) для перетворювача ЛГ-К G400; в) у частотний сигнал; г) для перетворювача СГ-1
206
Основними перевагами таких перетворювач1в е простота конструкци, вщсутшсть рухомих частин, компактшсть, висока продуктившсть формування вим1рювальних сигнал1в. До недолЫв сл1д вщнести створення значного пневматичного опору на шляху пропкання вим1рювального середовища а також найменший серед наявних перетворювач1в камерного типу д1апазон вим1рювання. Типовим вар1антом промислово! реал1заци згаданого класу перетворювач1в е СГ-1 (виробник - ООО "СТКС-Пермь", Пермь, Рос1я), рис. 3, г. Основш характеристики СГ-1: 5 = ±2.0%, д1апазон /&тах вим1рювання 1:40.
Доцшьно зазначити, що використання мехашчних перетворювач1в, принцип перетворення шформацп в яких грунтуеться на фжсацп руху чутливих елеменпв (ротор1в, турбш, барабашв тощо) грунтуеться на унитарному базиса Такий шдхвд при вим1рюванш малих витрат е непрактичним, оск1льки потребуе тривалого часу для формування вщповщно! кшькосл 1мпульс1в, що в свою чергу зб1льшуе ймов1ршсть отримання хибного !х числа.
На даний час в Укрш'ш експлуатуються понад 50 титв л1чильнишв газу, яш занесет до Державного реестру [1], серед них 17 титв промислових л1чильнишв, в тому числ1 7 титв вичизняного виробництва. Частина з них укомплектована давачами, яш представляють вим1рювану в уштарному базис1 1мпульсним вихвдним сигналом (геркони, 1ндукцшш, 1ндуктивш та оптичш перетворювач1 [2,3]). Перевагами таких первинних перетворювач1в е пор1вняно нескладна реал1защя процес1в перетворення, кодування та декодування шформацп. Точшсть перетворення ф1зичних величин в таких перетворювачах мало залежить ввд швидкосп проходження м1рного елементу (пазового колеса, лопатки ротора чи отвору диску) повз пристрш перетворення виду шформацп. В таблиц 1 подано типи сигнал1в та похибка перетворення контрольовано! величини типових реал1зацш перетворювач1в згаданих метод1в.
Таблиця 1 - Типи сигналiв та ввдносна похибка перетворення контрольовано! величини
Назва первинного перетворювача витрати Тип сигналу S, %
Перепаду тиску Rosemount 3051SFC, Yokogawa RAMC Ампл^да 0,75...1,60
Вихровий OPTIWIRL 4070, ИРВИС-К-300, Dymetic-1223M Частота 1,00.2,00
Ультразвуковий FLOWSIK 600, Dymetic-9423, КУРС-01, ЗОНД 1мпульси/Частота 1,50.2,00
Роторний ТЕМП G250, OMEGA VI Роторний DELTA S-Flow 1мпульси НЧ 1мпульси/Частота 1,00.2,00
Турбшний ЛГ-К G400, IGTM-CT G400, TRZ-Fluxi 1мпульси/Частота 1,00.2,00
Струминно-акустичний GSN-S, СГ-1 1мпульси/Частота 1,00.2,00
Мембранний ВКТ, ОКТАВА, САМГАЗ RS/2001-2 1мпульси 1,50.3,00
На ocHOBi проведених експериментальних дослщжень робочих еталонiв витрати газу титв: PL, РЛ, ЛГ, при багатократних вишрюваннях в контрольних точках дiапазoну, були визначенi величини рoзбiжнocтi шлькосп iмпульciв вiд витрати газу (рис. 4) зпдно виразу:
W = f (Nmax - Nmin ) (1)
де:
Wj - величини рoзбiжнocтi кiлькocтi iмпульciв вiд витрати газу;
Nmax , Nmin - максимальна, мiнiмальна шльшсть iмпульciв в /-тш тoчцi дiапазoну.
ВОику 6/г.рд)
а)
0,016 0,025 0,04 005 0,06 008 0,1 012 0,16 0,2 0,3 04 0,5
б)
1 1,2 1,6 2 2Î5 3 4 4,2 6 7 8 10 12 16 20 25
@(м .куб/гцд)
в)
12 16 20 25 50 100 160 200 250 500 800 1200 1600 2000 2500
Рис. 4. Усереднена величина розб1жност1 юлькосп 1мпульсш в1д витрати газу в робочих еталонах а) барабанного типу
PL; б) роторного типу РЛ; в) турбшного типу ЛГ
У перетворювачах типу РЛ шльшсть iмпульciв на м3 146, звщки похибка буде складати 0,2%, для типу ЛГ шльшсть iмпульciв на м3 400, ввдповвдно похибка до 0,3 %, для типу PL шльшсть iмпульciв на м3 10000, ввдповвдно похибка до 1,6 %. Виникнення таких похибок зумовлено рiзними факторами: неточне виготовлення чутливих елеменпв (скануючих дисшв, зубчатих колю тощо), нерiвнoмiрнicть газового потоку та перехiднi процеси, як1 ввдбуваються при цьому, змши сил тертя в механiчних вузлах, а також недосконалютю вимiрювальнoгo перетворювача, який також зазнае cтoрoннiх впливiв рiзних типiв, що приводить до спотворення вих1дного iмпульcнoгo сигналу. У iнфoрмацiйнo-вимiрювальних комплексах, як1 працюють в комплекп з лiчильниками газу, що мають iмпульcний вихвдний сигнал в унитарному кoдi, практично вiдcутня можливють поновлення втраченоГ iнфoрмацiï та автоматичного коректування невiрних даних при тимчасових розривах 1ВК , cтoрoннiх завадах чи вiдмoвах обладнання.
Висновки
Проведене дослщження показало, що cучаcнi методи, та реалiзoванi на 1х ocнoвi первиннi перетвoрювачi витрати, грунтуються на використанш iмпульcних, амплiтудних та частотних характеристик cигналiв сенсорних кoмпoнентiв, як в той чи iнший споаб впливають на контрольоване середовище. Таким чином проблема використання iнфoрмацiйних складових сигналу вирiшуетьcя не пoвнicтю, що зумовлюе неoбхiднicть подальших наукових дослщжень та розробок в цiй области
Список використано!' л1тератури
1. ГОСТ 8.563.1-97 ГСИ. Измерение расхода и количества жидкостей и газов методом переменного
перепада давления. Диафрагмы, сопла ИСА 1932 и трубы Вентури, установленные в заполненных трубопроводах круглого сечения. Технические условия. - М.: Изд-во стандартов, 1998.
2. Шстун £. П. Нормування витратoмiрiв змшного перепаду тиску. / £.П. Шстун, Л.В. Лесовой -Львiв: Видавництво ЗАТ «1нститут енергоаудиту та облшу енергоносив», 2006. - 576 с. ISBN 966-553-541-2.
3. Стенцель Й.1. Метролопя та технoлoгiчнi вимiрювання в хiмiчнiй прoмиcлoвocтi / Й. I. Стенцель,
В. В. Тiщук. - Луганськ: Схвдноукрашський держ. ун-т, Северодонецький технoлoгiчний iн-т, 2000. Ч.1. - 263 с. ISBN 966-590-229-6.
4. Фрайден Дж. Современные датчики. Справочник. / Дж. Фрайден. - Москва: Техносфера, 2005. -
592 с.
0
25
20
15
10
