Система самодиагностики ультразвуковых расходомеров как функция контроля работы узла измерения расхода газа Текст научной статьи по специальности «Физика»

СИСТЕМА САМОДИАГНОСТИКИ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ РАСХОДОМЕРОВ КАК ФУНКЦИЯ КОНТРОЛЯ РАБОТЫ УЗЛА ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА ГАЗА

удк 621.389:681.121.89.082.4

A.Н. Слонько, ооо нпо «турбулентность-дон» (ростов-на-дону, рФ), sktb_std2@turbo-don.ru

Р.И. Соломичев, к.т.н., ооо нпо «турбулентность-дон», sktb_solomichev@turbo-don.ru

B.В. Кляп, ооо нпо «турбулентность-дон», sector2@turbo-don.ru

И.В. Рычков, пао «Газпром» (Санкт-петербург, рФ), i.rytchkov@adm.gazprom.ru

Роль расходомеров в современном обществе сложно переоценить, она значительно возросла в последнее время в связи с необходимостью экономии и рационального использования непрерывно дорожающих энергетических и водных ресурсов во всем мире. С помощью расходомеров обеспечивается автоматизированное управление производственными процессами и оптимизация технологических режимов практически всех отраслей промышленности. В числе современных требований к расходомерам выделяют высокую точность измерения, надежность, малую инерционность, большой диапазон измерений Фтах^т|п), способность производить измерения в экстремальных условиях (при температурах от -220 до 600 °С), стабильность показаний, низкое энергопотребление и т. д. Им полностью соответствует ультразвуковой метод, получивший широкое распространение за последние годы благодаря имманентному физическому принципу измерения и специфическим особенностям, которые позволяют использовать ультразвук для бесконтактных измерений в условиях коррозийных и взрывоопасных сред. Кроме того, важным преимуществом ультразвуковых расходомеров перед другими типами является возможность получения дополнительной информации о физико-химических параметрах среды измерения и потока путем косвенных вычислений. В работе приводится пример практической реализации системы встроенной самодиагностики линейки ультразвуковых расходомеров UFG, полностью соответствующей требованиям ГОСТ 8.611-2013, в которые входят контроль уровня усиления сигнала, качества сигнала, отношения сигнал/шум, контроль отношения скорости газа по акустическим каналам к средней скорости газа в преобразователе расхода, скорости распространения звука. Важное преимущество разработанной системы диагностики, неоднократно апробированной в реальных условиях эксплуатации, - контроль состояния электронного блока и свойств потока (профиль, симметрия, оценка завихрения), информативность, ведение архива событий, интуитивно понятный пользовательский интерфейс. Описаны перспективные направления дальнейшего развития ультразвуковых расходомеров, в которые входят расчет плотности, вязкости и оценка компонентного состава среды измерения акустическим способом в целях получения информации об энергетической ценности энергоносителей.

ключевые слова: энергоноситель, измеритель расхода, ультразвуковой метод, система диагностики, скорость звука, плотность, состав.

общая

постановка проблемы

роль расходомеров в связи с коммерциализацией учета непрерывно дорожающих во всем мире энергетических и водных ресурсов, а также с необходимостью экономии и рационального их использования в последнее время сильно возрастает. Автоматизированное

управление и тем более оптимизация технологических процессов в энергетике, металлургии, нефтяной, газовой, пищевой и во многих других отраслях промышленности без расходомеров невозможны, как невозможны автоматизация производства и достижение максимальной ее эффективности. Без расходомеров трудно контроли-

ровать утечки и исключить потери ценных продуктов, а снижение погрешности измерения расхода и количества хотя бы на 1 % может обеспечить колоссальный экономический эффект [1].

Современные требования к расходомерам и счетчикам многочисленны и разнообразны:в их числе выделяют высокую точность измерения

автоматизация

A.N. Slonko, SPA Turbulentnost-Don LLC (Rostov-On-Don, Russian Federation), sktb_std2@turbo-don.ru

R.I. Solomichev, Candidate of Sciences (Engineering), SPA Turbulentnost-Don LLC, sktb_solomichev@turbo-don.ru

V.V. Kliap, SPA Turbulentnost-Don LLC, sector2@turbo-don.ru

I.V. Rychkov, Gazprom PJSC (Saint Petersburg, Russian Federation), i.rytchkov@adm.gazprom.ru Self-diagnostics system of ultrasonic flow meters as a control function of gas metering station

It is hard to overestimate the role of flow meters in modern industrial society; it has significantly increased recently due to the need for saving and rational use of continuously appreciating energy and water resources throughout the world. Flow meters enable automated process control and optimization of operating conditions in almost every industry. Contemporary requirements for flow meters include high precision of measurement, reliability, fast response, large measurement range (Qmax/Qmin), ability to measure under extreme conditions (within temperature range from -220 to 600 °C), readings stability, low power consumption, etc. These requirements are completely met by ultrasonic method, which has become widespread over the last years, due to the immanent physical measurement principle and specific features that allow to use ultrasound for non-contact measurements in corrosive and explosive environments. Another important advantage of ultrasonic flow meters over the other types is that they make it possible to obtain some additional information on the physical and chemical parameters of measurement medium and flow, through indirect calculations. The paper provides an example of practical implementation of built-in self-diagnostics system for UFG ultrasonic flow meter. This system is fully compliant with the requirements of GOST 8.611-2013, which includes monitoring the signal amplification level, signal quality, signal-to-noise ratio, monitoring the ratio between the gas velocity through acoustic channels to average gas velocity in flow transducer, as well as sound velocity. The diagnostic system has been repeatedly tested in actual operating conditions and has also other benefits, such as control of electronic unit status and flow properties (profile, symmetry, turbulence evaluation), informativeness, records archiving, and an intuitive user-friendly interface. Some perspective directions for the further development of ultrasonic flow meters are described. They include density and viscosity calculations and acoustic estimation of measurement medium composition, in order to obtain information on the energy value of energy carriers.

keywords: energy carrier, flow meter, ultrasonic method, diagnostic system, sound velocity, density, composition.

(0,3.0,5 %), надежность (средняя наработка на отказ от 24 до 150 тыс. ч), высокое быстродействие и динамические характеристики (возможность измерять пульсирующие расходы с частотой пульсаций до 10 кГц) [2], большой диапазон измерений (отношение Q /Q . достигает

v х max х min "

значений 100.200), способность производить измерения в экстремальных условиях (при температурах от -220 до 600 °С), стабильность и информативность показаний, низкое энергопотребление и т. д. Перечисленным требованиям полностью соответствует ультразвуковой (УЗ) метод, получивший широкое распространение за последние годы благодаря свойственному только ему физическому принципу измерения и специфическим особенностям, которые позволяют использовать ультразвук для бесконтактных измерений в любых средах, в том числе неэлектропроводных, коррозийных и взрывоопасных.

Основные трудности эксплуатации УЗ-расходомеров связаны с тем, что, во-первых, скорость

распространения звука зависит от физико-химических свойств измеряемой среды (ее температуры, давления, концентрации и т. д.); и во-вторых, она несоизмеримо больше скорости движения этой среды. Первое из отмеченных обстоятельств приводит к потребности применения в УЗ-расходомерах специальных методов и средств компенсации влияний свойств среды, второй - к необходимости использования дифференциальных схем измерения при выделении слабого полезного сигнала. Кроме того, показания УЗ-расходомеров зависят от числа Рейнольдса. Это объясняется тем, что они измеряют не действительную среднюю скорость потока, а среднюю скорость по линии УЗ-луча. Соотношение между этими скоростями является функцией числа Рейнольдса [2]. Результаты решения перечисленных вопросов носят прикладной характер и дают почву для реализации диагностического инструментария, объединенного в программном продукте.

ЗАДАЧИ ФУНКЦИИ САМОДИАГНОСТИКИ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ РАСХОДОМЕРОВ

Системы самодиагностики требуются для управления и контроля посредством встроенного и внешнего программного обеспечения за работой УЗ-расходомеров во время эксплуатации узла измерения расхода газа.

Системы самодиагностики УЗ-расходомеров должны решать следующие задачи:

- обеспечение контроля уровня усиления и качества сигнала, контроля отношения скорости газа по акустическим каналам к средней скорости газа в преобразователе расхода, скорости распространения звука;

- реализация функции отображения свойств потока (профиль, симметрия, оценка завихрения);

- реализация функции контроля за состоянием блока электроники с ведением архива событий, нештатных ситуаций и несанкционированного доступа;

- разграничение уровней доступа пользователей для разработчика, метролога, конечного пользователя;

- интуитивно понятный человеко-машинный интерфейс, информативный и удобный для любого из пользователей вне зависимости от предоставленного уровня доступа.

Функции

самодиагностики

ультразвуковых

расходомеров,

предлагаемых

отечественными

производителями

работа УЗ-расходомеров основана на перемещении акустических колебаний движущейся средой и измерении разности времени прохождения этих колебаний по потоку и против него. Ультразвуковые расходомеры обычно служат для измерения объемного расхода, потому что эффекты, возникающие при прохождении акустических колебаний через поток газа, связаны с его скоростью.

В зависимости от количества акустических каналов УЗ-расходо-меры подразделяются на однолу-чевые, двулучевые и многолучевые. достоинство первых - отсутствие пространственной асимметрии акустических каналов, зависящих от различия их геометрических

размеров. С увеличением количества хорд/лучей зондирования увеличивается площадь перекрытия плоскостей сечения трубопровода, и тем самым повышается точность измерения расхода. нередко газовый поток обладает деформированным профилем, степень деформации которого возрастает с увеличением диаметра трубопровода. Это связано с тем, что в различных точках сечения трубопровода существует различие температур и концентрации газа, а при различных скоростях потока его движение может переходить из ламинарного в турбулентное и иметь вращательный характер. таким образом,зондирование по хордам, расположение которых выбирается согласно квадратурной формуле Гаусса [1], способствует повышению точности измерения расхода, в отличие от зондирования по диаметральной плоскости.

Усложнение конструкции и схемотехники дает положительный результат в виде предоставленной возможности получения дополнительной информации о физико-химических параметрах среды измерения и потока путем косвенных вычислений. Это служит существенным преимуществом ультразвуковых расходомеров перед другими типами, т. к. представляется полная картина процессов, происходящих в трубопроводе.

Рис. 1. Экранная форма диагностики программы UFG View Fig. 1. On-screen diagnostics form for UFG View program

Код НС ■

1 Выбрать аса || Ом«нпт* ко | Q Показать номер вита

! Отказ УЗ датчика * АЦП2 не отвечает i НС датока температуры 1 НС датчжа давления J НС оперативной памяти □ НС от ГШ; Зегрмиеии» УЗ ,□ НС от ПЛ Сбой ультрозау» - кет НИ одного яучо [О НС от ГШ: Ошибке настроек прибора 1 НС опт ПЛ: Сервисный режим О НС от ПЛ: Сбой АЦП t J НС от ЛП Сбой памяти Общий бит НС от ПП Нет питания Нет связи с ПП 1 НС по расхода: Q > Qmax или Qo<c <* Q <■ Qmin □ НС •» температуре: Т > Tmax или Т < Tmin ( '_} НС по до«.-тник) Р > 1.1 * Ртвк или Р < Pmin Р НС ПО скорости яч*о; V» > V» тех или V« * V» min НС по скорости потека: Vp > Vp max или Vp < Vp mm □ НС no расчету коэффициенте сжимаемости

Закрыть Записать Записать попе

Рис. 2. Подробная расшифровка кода НС Fig. 2. Detailed decoding of the emergency code

к»™™»

Ом«иин Г " Показать номер бита

Режим роботы от сет» Датчики Р и Т не подключены Выход за пределы применимости метода расчете па давлению Защита затеи параметров вклинена 111 Расход а диапа»не Оотс < О < Qmm И Ошибке LCD Ошибке иикрОСМмы чвйя Нккий уровень напряжении питвмия Ну.îкий уровень заряда батареи Вскрытие корпуса ■> Внеидаее питание Ошибка токового выхода Ошибка hp'cx FLASK ._ Ошибка n'a F RAM У] Общий бит тревог

Закрыть Записать Записать позже

Рис. 3. Подробная расшифровка кода

состояния прибора

Fig. 3. Detailed decoding of the status

code

Рассмотрим особенности реализации функций самодиагностики на примере акустических расходомеров серии Turbo Flow UFG (ООО НПО «Турбулентность-ДОН», РФ), работающих в ультразвуковом диапазоне частот 125 кГц с количеством лучей не менее двух UFG-F-C, обеспечивающих относительную погрешность не более 1 % на расходе от 0,01 Qmax до Qmax. В состав измерительного комплекса входит программное обеспечение (ПО) UFG View для настройки работы, калибровки, диагностики и управления ультразвуковым преобразователем расхода.

Стандартный набор диагностических функций, регламентируемых ГОСТ 8.611-2013, представляет собой эргономичный дизайн

автоматизация

пользовательского интерфейса в ПО (рис. 1), включающий отображение по акустическим каналам в реальном времени текущих значений:

- отношения скорости газа по лучам к средней скорости газа в преобразователе расхода;

- отношения сигнал/шум;

- усиления сигнала;

- индикацию сходимости измеренной и расчетной скорости звука при заданном составе газа.

Для создания комплексного ПО с гибким инструментарием реализованы дополнительные интеллектуальные функции самодиагностики прибора:

- диаграмма отклонения скоростей звука по лучам от среднего значения по прибору;

- контроль свойств потока (профиль, симметрия, завихрения);

- контроль состояния электроники прибора (температура микроконтроллера, его напряжение

питания и текущая емкость батарейного блока для автономного исполнения);

- составной код нештатной ситуации (НС), который указывает на конкретные причины неисправностей прибора или превышение пределов измеряемых значений (рис. 2);

- составной код состояния прибора (рис. 3);

- сводная таблица результатов диагностики УЗ-расходомера (рис. 4);

- эпюра скоростей потока для продольного сечения трубопровода (рис. 5).

Кроме отображения диагностических данных программа проводит непрерывный автоматический анализ результатов измерений с последующей их записью в защищенный от несанкционированного доступа архив. Глубина архива часового - 2 мес, суточного - год. Разработанная

Рис. 4. Результаты диагностики УЗ-расходомера

Fig. 4. Ultrasonic flow meter diagnostic results

система самодиагностики неоднократно апробирована в реальных условиях эксплуатации. Ее необходимость обусловлена многими факторами, среди которых: повышение надежности расходомеров, своевременное выявление и предупреждение

Конференции компании ЕРС в России и странах СНГ в 2019 году

Euro Peí roí eu m Consultants

SHARING KNOWLEDGE,

SHAPING BUSINESS

Саммит руков од ител ей

нефтегазовой отрасли России и стран СНГ

19-20 июня Сочи, Горки Город

Неделя нефтепереработки, газа и нефтехимии

Неделя включает 4-ю GTCC, 18-ю RPTC и 19-ю RRTC

16-20 сентября, Москва

RU-CAT

2-я конференция России и стран СНГ по технологиям катализа

18-19 ноября, Сочи

Op-Ex Russia & CIS

6-я Конференция по операционной эффективности в нефтегазохимической про мьпп л ен н ости

20-22 ноября, Сочи

www.europetro.ru | +7 (495) 517-77-09 I moscow@europetro.com

1

1

1

1 r:

1 1 1 1 1 1 1 i л

^ n

-

f

Ä

! Скорость потока, м/с Flow rate, m/h

Рис. 5. Эпюра скоростей потока Fig. 5. Flow rate diagram

всевозможных НС, получение обратной связи от конечных пользователей для совершенствования УЗ-преобразователей расхода.

Весьма перспективным направлением дальнейшего развития

диагностических и информационных функций УЗ-расходомеров выступает получение расчетных значений плотности, вязкости среды измерения косвенным методом без дополнительного применения специального оборудования [4]. Определение вязкости сопряжено с измерением степени затухания УЗ-колебаний в среде. Используя зависимость скорости распространения УЗ-колебаний от плотности, можно вычислять последнюю при прямом измерении скорости звука для получения информации об энергетической ценности энергоносителей [5] и дополнительного контроля введенных настроек по составу газа.

Существует акустический метод газового анализа [6], основанный на измерении скорости распространения в газовой среде УЗ-волн, которая зависит от содержания определяемого компонента в анализируемом газе. Акустические газоанализаторы конструктивно представляются двумя схемами. В основу первой положен принцип относительного отсчета скорости звука, а второй - измерение сдвига фаз посланной и принятой акустических волн. Газоанализаторы первого типа используются для определения метана в газовых смесях и в воздухе в диапа-

зоне от 0,2 до 5 мол. %, а также при определении оксида углерода, паров воды и кислорода.

выводы

В статье перечислены основные требования к современным приборам измерения расхода газа и жидкостей, которым наиболее соответствуют расходомеры с ультразвуковым методом измерения. Освещены главные особенности, преимущества и трудности их использования.

Описан стандартный набор диагностических функций,регламентируемых ГОСТ 8.611-2013, и дополнительные интеллектуальные функции самодиагностики прибора.

Представлена и описана структура ПО, предназначенного для настройки работы, калибровки, диагностики и управления УЗ-пре-образователем расхода.

Рассмотрено перспективное направление дальнейшего развития диагностических и информационных функций УЗ-расходомеров за счет вычисления и анализа косвенным методом значений плотности и вязкости среды измерения без дополнительного применения специального оборудования в целях получения информации об энергетической ценности энергоносителей. ■

ЛИТЕРАТУРА

1. Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества веществ: справочник. Кн. 2. 5-е изд., перераб. и доп. СПб.: Политехника, 2004. 412 с.

2. Хансуваров К.И., Цейтлин В.Г. Техника измерения давления, расхода, количества и уровня жидкости, газа и пара: учебное пособие. М.: Издательство стандартов, 1990. 287 с.

3. ГОСТ 8.611-2013. Государственная система обеспечения единства измерений (ГСИ). Расход и количество газа. Методика (метод) измерений с помощью ультразвуковых преобразователей расхода [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://docs.cntd.ru/document/1200104093 (дата обращения: 05.06.2019).

4. Шафрановская З.М. Применение ультразвука для измерения теплотехнических параметров // Приборостроение. 1956. № 4. С. 12-14.

5. Андреева М.М., Староверова H.A., Нурахметов М.Б. Обзор рынка расходомеров для нефтяной и газовой промышленности // Вестник технологического университета. 2015. Т. 18. № 10. С. 42-46.

6. Новый справочник химика и технолога. Аналитическая химия. Ч. 1. / Под общ. ред. И.П. Калинкина. СПб.: АНО НПО «Мир и семья», 2002. 964 с.

REFERENCES

(1) Kremlevskiy PP. Flowmeters And Calculators of Amount of Substance: Reference Guide Book. No. 2. 5th ed. Saint Petersburg: Politekhnika; 2004. (In Russian)

(2) Khansuvarov KI, Tseytlin VG. Technique for Measuring Pressure, Flow, Quantity And Level of Liquid, Gas And Steam: Study Guide. Moscow: IPK Izdatelstvo Standartov; 1990. (In Russian)

(3) Federal Agency on Technical Regulating and Metrology (Rosstandart). State standard GOST 8.611-2013. State system for measurement uniformity assurance. Flow rate and quantity of gas. Technique (method) for measurements using ultrasonic meters. Available from: http://docs.cntd.ru/ document/1200104093 [Accessed 5th June 2019]. (In Russian)

(4) Shafranovskaya ZM. Using ultrasound to measure thermal parameters. Instrumentation. 1956; 4; 12-14. (In Russian)

(5) Andreeva MM, Staroverova NA, Nurakhmetov MB. Flow meters' market overview for the oil and gas industry. Herald of Kazan Technology University. 2015; 10 (18); 42-46. (In Russian)

(6) Kalinkin IP (ed.). New reference guide book for chemist and engineer. Analytical chemistry. Part 1. Saint Petersburg: ANO NPO Mir I Semya; 2002.