Автоматизация технологических процессов книга. Компетенций в новой среде обучения виртуальной среде профессиональной деятельности

• Название: Компетенций в новой среде обучения виртуальной среде профессиональной деятельности
• Анкор: Автоматизация технологических процессов книга.pdf
• Дата: 02.02.2017
• Размер: 24.89 Mb.
• Имя файла: Автоматизация технологических процессов книга.pdf
• Тип: Документы; #1731
• страница: 2 из 23

12

контроля и управления, которым уже оснащены многие технологические установки и комплексы нефтегазовой отрасли. Впервой части пособия рассмотрены базовые понятия систем контроля и управления технологическими процессами методы и приборы для измерения температуры, давления расхода и уровня. Из многочисленных современных приборов для измерения параметров качества подготовки нефти и природного газа по причине ограниченного объё­
ма пособия приведены только поточные влагомеры. Здесь же приведены схемы подключения датчиков к ПЛ К и сведения о барьерах безопасности. В первых двух главах рассмотрены проблемы появления погрешностей измерений и приведены сведения о методах обработки результатов измерений. Существенной проблемой при поддержании основных параметров технологического процесса на заданных значениях является правильный выбор параметров настройки автоматических регуляторов. Для того чтобы объяснить важность этой проблемы в пособие включены несколько тем теории автоматического регулирования. Приведены сведения по техническим характеристиками методика рас­
чёта исполнительных устройств. Вторая часть пособия начинается со знакомства с принципом действия и основными техническими характеристиками ПЛ К . Рассмотрены ПЛК, применяемые в системах управления технологическими процессами нефтегазовой отрасли, различных фирм. Даётся представление о современных автоматизированных системах управления технологическими процессами ( АСУ Т П ) , реализованных в виде систем и систем. Приведены сведения о программных пакетах систем. Рассмотрены функциональные схемы автоматизации основных технологических объектов добычи и подготовки нефти от скважин до узлов учёта нефти, а также функциональные схемы автоматизации основных блоков процессов абсорбционной осушки газа и низкотемпературной сепарации. В заключительных главах приведены примеры комплексов технических средств АСУ Т П основных цехов и установок нефтегазовой отрасли.
13

Авторы отдают себе отчет в том, что для достижения цели, поставленной в упомянутой ранее инновационной образовательной программе, изучение изложенного в учебном пособии материала должно сопровождаться лабораторными работами и практическими занятиями для знакомства с устройством современных средств автоматизации методами программирования ПЛ К и пакетами операторского интерфейса.

Часть 1 ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ И АВТОМАТИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ В ПРОЦЕССАХ ДОБЫЧИ И ПОДГОТОВКИ НЕФТИ ИГА ЗА Глава 1 ПОГРЕШНОСТИ ИЗМЕРЕНИЙ ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ Измерение - процесс получения опытным путём численного соотношения между данной физической величиной и некоторым ее значением, принятым за единицу измерения. Результат измерения - именованное число, найденное путем измерения физической величины. Погрешность измерения - отклонение результата измерения от истинного значения измеряемой величины. Точность измерения - степень близости результата измерения к истинному значению измеряемой величины. Средство измерений - техническое средство, используемое в измерительном процессе и имеющее нормированные метрологические характеристики. Метрология - учение о мерах, наука о методах и средствах обеспечения единства измерений и способах достижения требуемой точности. Законодательная метрология - раздел метрологии, включающий комплексы взаимосвязанных и взаимообусловленных правил, требований и норма также другие вопросы, нуждающиеся в регламентации со стороны государства, направленные на обеспечение единства измерений и единообразия средств измерения. Контроль - процесс установления соответствия между состоянием объекта контроля или его свойством и заданной нормой.
15

Мера - средство измерений, предназначенное для воспроизведения физической величины заданного размера. Измерительный преобразователь - средство измерений, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и хранения, ноне поддающейся непосредственному восприятию наблюдателем. Измерительный прибор - средство измерений, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем. Измерительная информационная система - совокупность средств измерений (мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей и при вспомогательных устройств, соединенных между собой каналами связи и предназначенных для получения измерительной информации, доступной для наблюдения, обработки и управления объектами. При анализе значений, полученных при измерениях, следует разграничивать два понятия истинные значения физических величин и их опытные проявления - результаты измерений. Истинные значения физических величин - значения, идеальным образом отражающие свойства данного объекта, как вколи чественном, таки в качественном отношении. Они не зависят от средств нашего познания и являются абсолютной истиной. Результаты измерений представляют собой приближённые оценки истинных значений величин, найденных опытным путем. Результаты измерений зависят от метода измерения, от технических средств измерения и от восприятия наблюдателя, осуществляющего измерения. Разность А между результатами измерения X' и истинным значением А измеряемой величины называется погрешностью измерения

при измерениях, и органов чувств наблюдателя. В отдельную группу следует объединить причины, связанные с влиянием условий проведения измерений. Описанные причины возникновения погрешностей определяются совокупностью большого числа факторов, под влиянием которых складывается суммарная погрешность измерения. Их можно объединить в две основные группы
1. Факторы, постоянные или закономерно изменяющиеся в процессе измерительного эксперимента, например плавные изменения влияющих величин или погрешности применяемых при измерениях образцовых мер. Составляющие суммарной погрешности, определяемые действием факторов этой группы, называются систематическими погрешностями измерения. Их отличительная особенность в том, что они остаются постоянными или закономерно изменяются при повторных измерениях одной и той же величины. До тех пор, пока систематические погрешности больше случайных, их зачастую можно вычислить или исключить из результатов измерений надлежащей постановкой опыта.
2. Факторы, проявляющиеся весьма нерегулярно и столь же неожиданно исчезающие или проявляющиеся с интенсивностью, которую трудно предвидеть. К ним относятся, например, перекосы элементов приборов в их направляющих, нерегулярные изменения моментов трения в опорах, малые флуктуации влияющих величин, изменения внимания операторов и др. Доля, или составляющая, суммарной погрешности измерения
(1.1), определяемая действием факторов этой группы, называется случайной погрешностью измерения Её основная особенность в том, что она случайно изменяется при повторных измерениях одной и той же величины. При организации процесса измерения в целом интенсивность проявления большинства факторов данной группы удаётся свести к общему уровню, так что все они влияют более или менее одинаково на формирование случайной погрешности. Однако некоторые из них, например внезапное падение напряжения в сети электропитания, могут проявиться неожиданно сильно, в результате чего погрешность примет размеры, явно выходящие заграницы, обусловленные ходом эксперимента в целом. Такие погрешности в составе случайной погрешности называются грубыми К ним тесно примыкают промахи - погрешности, зависящие от наблюдателя и связанные с неправильным обращением со средствами измерений, неверным отсчётом показаний или ошибками при записи результатов. Таким образом, мы имеем два типа погрешностей измерения систематические погрешности, остающиеся постоянными или закономерно изменяющиеся при повторных измерениях
17

случайные (в том числе грубые погрешности и промахи, изменяющиеся случайным образом при повторных измерениях одной и той же величины. В процессе измерения оба вида погрешностей проявляются одновременно, и погрешность измерения можно представить в виде суммы

19

21

проведении измерений установившегося значения физической величины. На практике измеряемая величина не остается постоянной, а меняется во времени. Если скорость изменений настолько мала, что инерционные свойства средства измерений еще не проявляются, то такие измерения по существу являются статическими и полностью характеризуются статической погрешностью. Если скорость изменения измеряемой величины такова, что проявляются инерционные свойства средства измерений, то такую погрешность называют динамической погрешностью средства измерения. Для расчета динамической погрешности используют импульсную, переходную или частотную характеристику средства измерений.

и даже при и = 50 достигает 10 %. Для надежного суждения о точности эту погрешность следует увеличить еще минимум в два раза. Наряду с методом максимального правдоподобия при определении точечных оценок широко используется метод наименьших квадратов В соответствии с этим методом среди некоторого класса оценок выбирают ту, которая обладает наименьшей дисперсией, те. наиболее эффективную оценку. Для случая нормально распределенных случайных погрешностей оценки, получаемые методом наименьших квадратов, совпадают с оценками максимального правдоподобия.
2.2. РАСЧЁТ ПОГРЕШНОСТЕЙ ИЗМЕРЕНИЯ Основной задачей эксперимента является измерение численных значений наблюдаемых физических величин. Измерением называется операция сравнения величины исследуемого объекта с известной величиной (мерой. Принято различать прямые и косвенные измерения. При прямом измерении производится непосредственное сравнение величины измеряемого объекта с величиной меры. В результате искомая величина находится прямо по показаниям измерительного прибора, например, сила тока - по отклонению стрелки амперметра, вес - по показаниям весов и т.д. Однако, гораздо чаще, измерения проводят косвенно, например, площадь прямоугольника определяют по измерению длин его сторон, электрическое
38

сопротивление - по измерениям силы тока и напряжения и т.д. Во всех этих случаях искомое значение измеряемой величины получается путём соответствующих расчётов. Результат всякого измерения всегда содержит некоторую погрешность. Поэтому в задачу измерений входит не только нахождение самой величины, но также и оценка допущенной при измерении погрешности. Если оценка погрешности результата измерения не сделана, то можно считать, что измеряемая величина вообще неизвестна, поскольку погрешность может, вообще говоря, быть того же порядка, что и сама измеряемая величина или даже больше. В технических измерениях обычно заранее известно, что выбранный измерительный инструмент обеспечивает приемлемую точность, а влияние случайных факторов на результат измерений пренебрежимо мало по сравнению сценой деления применяемого прибора. Случайные погрешности обязаны своим происхождением ряду причин, действие которых различно в каждом опыте и не может быть учтено. Они имеют разные значения даже для измерений, выполненных одинаковым образом, те. носят случайный характер. Допустим, что сделано п повторных измерений одной и той же величины Если измерения выполнены одними тем же методом, в одинаковых условиях и с одинаковой степенью тщательности, то такие измерения называются равноточными. Рис. Гистограмма распределения погрешностей
39

Если устремить число измерений к бесконечности, а интервал
h - к нулю, то гистограмма переходит в пределе в непрерывную кривую, которая является кривой функции распределения погрешностей. При условиях, которые обычно выполняются при проведении измерений, эта кривая представляет собой график функции Гаусса, имеющей следующий вид Рис. 2.2. Функция Гаусса ВЫЧИСЛЕНИЕ ПОГРЕШНОСТЕЙ В дальнейшем будем предполагать, что
1) грубые погрешности измерения исключены
2) поправки, которые следовало определить (например, смещение нулевого деления шкалы, вычислены и внесены в окончательные результаты
3) все систематические погрешности известны (с точностью до знака. В этом случае результаты измерений оказываются все жене свободными от случайных погрешностей. Если случайная по

величин много больше либо много меньше единицы, их принято записывать в виде числа между 1 и 10, умноженного на соответствующую степень десяти. Число знаков в окончательном результате устанавливается последующим правилам. Сначала ограничивается число значащих цифр погрешности. Значащими цифрами называются все верные цифры числа кроме нулей, стоящих впереди числа. Например, в числе 0,00385 три значащие цифры, в числе 0,03085 четыре значащие цифры, в числе 2500 - четыре, в числе Ю - две. Погрешность записывается всегда одной или двумя значащими цифрами. При этом руководствуются следующими соображениями. Величина случайной погрешности, полученная из обработки результатов некоторого числа измерений, сама является случайным числом, те, если проделать это же число измерений еще раз, то, вообще говоря, будет получен не только другой результат для измеряемой величины, но и другая оценка для погрешности. Поскольку погрешность оказывается случайным числом, то, пользуясь законами математической статистики, можно и для неё найти доверительный интервал. Расчеты показывают, что даже при довольно большом числе измерений этот доверительный интервал оказывается весьма широким, те. величина погрешности оценивается достаточно грубо. Так при 10 измерениях относительная погрешность у погрешности превышает 30 %. Поэтому для значения погрешности следует приводить две значащие цифры если первая из них 1 или 2, и одну значащую цифру если она равна или больше 3. Это правило легко понять, если учесть, что 30 % от 2 составляет 0,6, а от 4 уже 1,2. Таким образом, если погрешность выражается, например, числом, начинающимся с цифры 4, то это число содержит неточность (1,2), превышающую единицу первого разряда. После того, как погрешность записана, значение результата должно быть округлено таким образом, чтобы его последняя значащая цифра была того же разряда, что и у погрешности. Пример представления окончательного результата с = (18,7±1,2)10 2
с.
2.5. КЛАССЫ ТОЧНОСТИ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ Класс точности - это обобщенная характеристика средств измерений, определяемая пределами допускаемых основных и дополнительных погрешностей, а также рядом других свойств, влияющих на точность осуществляемых сих помощью измерений. Классы точности регламентируются стандартами на отдельные виды средств измерения с использованием метрологических характеристики способов их нормирования. Стандарт не распространяется на средства измерений, для которых предусматриваются раздельные нормы на систематическую и случайные составляющие, а также на средства измерений, для которых нормированы номинальные функции влияния, а измерения проводятся без введения поправок на влияющие величины. Классы точности не устанавливаются и на средства измерений, для которых существенное значение имеет динамическая погрешность. Для остальных средств измерений обозначение классов точности вводится в зависимости от способов задания пределов допускаемой основной погрешности. Пределы допускаемой абсолютной основной погрешности могут задаваться либо в виде одночленной формулы

Классы точности средств измерений, для которых пределы допускаемой основной приведенной погрешности нормируются по формуле (2.40), обозначаются одной цифрой, выбираемой из ряда для чисел р и выраженной в процентах. Если, например, у = +0,005 = ±0,5 %, то класс точности обозначается как 0,5 (без кружка. Классы точности обозначаются римскими цифрами или буквами латинского алфавита для средств измерений, пределы допускаемой погрешности которых задаются в форме графиков, таблиц или сложных функций входной, измеряемой или воспроизводимой величины. К буквам при этом допускается присоединять индексы в виде арабской цифры. Чем меньше пределы допускаемой погрешности, тем ближе к началу алфавита должна быть буква и тем меньше цифра. Недостатком такого обозначения класса точности является его чисто условный характер.
50

Глава 3 МЕТОДЫ ИПР ИБО Р Ы ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ КЛАССИФИКАЦИЯ ПРИБОРОВ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ Приборы для измерения температуры основаны на изменении следующих свойств вещества при изменении температуры На изменении объёма тела - термометры расширения изменение линейного размера-дилатометры; изменение давления рабочего вещества в замкнутой камере - манометрические термометры. На изменении сопротивления - термометры сопротивления термометры из благородных металлов - платины термометры из неблагородных металлов полупроводниковые термометры (термисторы. Основанные на явлении термоэффекта - термопары. Использующие оптические свойства вещества - оптические термометры или пирометры радиационные пирометры яркостные пирометры цветовые пирометры. Таблица Устройства для измерения температуры и их диапазоны измерения Используемый физический эффект Наименование устройства Пределы длительного измерения температуры, "С Используемый физический эффект Наименование устройства Нижний Верхний Тепловое расшире­
Жидкостные стеклянные термо­
- 1 9 0
600
ние метры Изменение давления Манометрические термометры
- 1 6 0
60 Изменение электри­
Электрические термометры со- 2 0 0
500
ческого сопротив­
противления
- 9 0
180
ления Полупроводниковые термометры
- 9 0
180 сопротивления Термоэлектрические Термоэлектрические термометры
- 5 0
1600 эффекты термопары) стандартизованные Термоэлектрические термометры
1300
2500 термопары) специальные Тепловое излучение Оптические пирометры
700
6000 Радиационные пирометры
20
3000 Фотоэлектрические пирометры
600
4000 Цветовые пирометры
1400
2800
51

Использующие прочие свойства вещества шумовые термометры, использующие зависимость уровня шума от температуры (для измерения низких температур резонансные термометры, использующие зависимость резонансной частоты от температуры термометры, использующие свойства р-п переходов. В табл. 3.1 приведены наиболее распространенные устройства для измерения температуры и их диапазоны измерения.
3.2. МАНОМЕТРИЧЕСКИЕ ТЕРМОМЕТРЫ Действие манометрических термометров основано на свойстве изменения давления вещества в замкнутом объёме под действием температуры. Замкнутая измерительная система манометрического термометра (рис. 3.1) состоит из чувствительного элемента, воспринимающего температуру измеряемой среды - металлического термобаллона 1, рабочего манометра 2 для измерения давления в системе, длинного соединительного металлического капилляра 3. При изменении температуры измеряемой среды дав

3.3. ТЕРМОПАРЫ ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТЕРМ О ЭФФЕКТА Рис. 3.5. Конструкция термоэлектрического преобразователя

Рис. 3.9. Схема расположения термопары в теплоизолиро­
ванном участке трубопровода Располагать термопару в набегающем потоке. Участок, где располагается термопара, теплоизолировать, чтобы температура корпуса и среды были равны. Ориентировать термопару вдоль изотерм. ПОДКЛЮЧЕНИЕ ТЕРМОПАРЫ К КОНТРОЛЛЕРУ На рис. 3.10 приведена блок-схема модуля измерительного канала для термопары при её подключении к контроллеру. Измерительный канал включает в себя схему защиты от перенапряжения, инструментальный усилитель со схемами калибровки смещения нуля и усиления, фильтр низких частот с частотой Рис. 3.10. Блок-схема измерительного канала термопары

среза 2 Гц для подавления промышленных помех, детектор обрыва термопары с индикатором и, наконец, отдельные датчики температуры холодного спая для каждого входа. Задачи компенсации температуры холодного спая, линеаризации и обнаружения неисправностей датчика возложены на программное обеспечение.

61

Рис. Градуировочная характеристика медного термометра сопротивления

Конструкция чувствительного элемента ТС. На риса показана конструкция термометра сопротивления (1 - головка,
2 - штуцерная гайка 3 - арматура 4 - чувствительный элемент.
63

Металлический термометр сопротивления имеет чувствительный элемент (рис. 3.12, б в виде тонкой (диаметром
0,05 мм) проволоки 2, намотанной на слюдяную пластину 1 (или пластмассовый цилиндр) и помещенной в защитный чехол 3. Полупроводниковые терморезисторы (термисторы по сравнению с металлическими, обладают более высокой чувствительностью. Они имеют отрицательный температурный коэффициент сопротивления. Полупроводниковые терморезисторы при весьма малых размерах имеют высокие значения сопротивления до 1 МОм. Для измерения температуры наиболее распространены полупроводниковые терморезисторы типов КМТ (смесь окислов кобальта и марганца) и ММТ (смесь окислов меди и марганца.
Серьёзным недостатком термисторов, не позволяющим с достаточной точностью нормировать их характеристики при серийном производстве, является плохая воспроизводимость характеристик (значительное отличие характеристик одного экземпляра от другого. Полупроводниковые датчики температуры обладают высокой стабильностью характеристик во времени и применяются для измерения температур в диапазоне от -100 до 200 С. Чаще всего в качестве полупроводника используются окислы металлов железа Fe, хрома Сг, марганца Мп, кобальта Сои никеля Ni. Сравнительные характеристики измерительных преобразователей температуры приведены в табл. 3.3.

Таблица Сравнительные характеристики измерительных преобразователей температуры Параметр Термопары Термометр сопротивления Термистор Чувствительность Стабильность во времени дрейф в год, % Воспроизводимость характеристик, С Диапазон температур, С Линейность, %
10...50 мВ/°С
0,5
5
- 2 0 0 . 1 6 0 0
2
0 , 1 . 1 0 Ом/°С
0,01
0,05
-150...850
0
1
0,1. .10 кОм/°С
1
0,5
-100...350
0
3 СХЕМЫ ВКЛЮЧЕНИЯ ТЕРМОМЕТРОВ СОПРОТИВЛЕНИЯ На рис. 3.14 показана схема включения термометра сопротивления в несбалансированный мост. Схема позволяет преобразовать величину сопротивления датчика температуры в напряжение Рис. 3.14. Схема включения термометров сопротивления в несбалансированный мост
3 — 1786

Рис. 3.15. Двухпроводная схема включения термометра сопротивления г - сопротивление линии связи Ri - переменное, заранее отградуированное сопротивление
66

Избыточного давления, давление измеряется водной точке. Дифференциального давления, измеряется разность давлений в двух точках системы. По типу чувствительного элемента манометры подразделяют наследующие мембранные,
• сильфонные, манометры с трубчатой пружиной (манометры с трубкой Бурдона.
4.2. МАНОМЕТРЫ С ТРУБЧАТОЙ ПРУЖИНОЙ Рис. Схема манометра с трубчатой пружиной
69

4.3. МЕМБРАННЫЕ МАНОМЕТРЫ Под действием давления р (рис. 4.2.) металлическая мембрана
1 выгибается. Для малых перемещений (малых деформаций) где k - коэффициент пропорциональности R - радиус мембраны Е - модуль упругости мембраны б - толщина мембраны р - давление. Перемещение центра мембраны преобразуют в электрический сигнал. Несколько способов преобразования приведены на рис. 4.3. Погрешность минимальна при р » р ср
. Перемещение мембраны (стрелки Х = (р
ср
-р)/К, где К - постоянный коэффициент. Дифференциальный манометр с мембранным чувствительным элементом приведен на рис. 4.4 и 4.5. Датчик имеет две полости с давлением pi и р . Под действием разности давлений /?, и р мембрана прогибается и перемещает сердечник 4. При перемещении сердечника меняется напряжение на выходе ДТП. Преимущества мембранных преобразователей малая инерционность конструктивная простота малая себестоимость при производстве. Недостатком мембранных преобразователей является то, что они могут работать только при малых деформациях. При больших деформациях характеристика преобразователя становится нелинейной. Рис. Схема мембранного манометра
70

Рис. 4.3. Схемы преобразования перемещения мембраны а - барометр с механическим преобразованием 6 - одноэлектродный емкостный преобразователь в - двухэлектродный емкостный преобразователь р - измеряемое давление р
ср
- давление сравнения 1 - корпус 2 - мембрана 3

электрод
4 - изолятор
71

Рис. 4.5. Конструкция дифференциального манометра с дифференциально-
трансформаторным преобразователем
72 Рис. 4.4. Принцип действия дифференциального манометра с дифференциаль­
но-трансформаторным преобразователем
1 - корпус 2 - мембрана 3 - дифференциально-трансформаторный преобразователь ( ДТП сердечник ДТП Рис. 4.6. Принцип действия компенсационного дифференциального манометра с дифференциально-трансформаторным преобразователем
/ - рычаг 2 - соленоид 3 - сердечник дифференциально-трансформаторного преобразователя ( ДТП) Ток, протекающий через обмотку соленоида, является выходным током манометра, он линейно связан с величиной дифференциального давления, действующего с двух сторон мембраны. Так как перемещение мембраны имеет минимальное значение, манометр имеет линейную градуировочную характеристику.
4.4. СИЛЬФОННЫЙ МАНОМЕТР
Сильфонный манометр (рис. 4.7) представляет собой отрезок гофрированной трубки (трубка из латуни, бериллиевой бронзы или нержавеющей стали. Рис. 4.7. Конструкция сильфонного манометра
73

При изменении давления внутри сильфона его высота или увеличивается, или уменьшается. Перемещение верхнего края сильфона преобразуется в электрический сигнал.
4.5. ПРОМЫШЛЕННЫЙ ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ Промышленные датчики давления чаще всего имеет чувствительный мембранный элемент и преобразователь, который преобразует деформацию мембраны в электрический сигнал. Могут применяться емкостные преобразователи индуктивные
• тензопреобразователи и др. У датчика с тензочувствительным преобразователем деформация мембраны манометра преобразуется в электрический сигнал мостовой схемой. В плечах моста находятся тензодатчики, наклеиваемые на мембрану. Выходной сигнал напряжения снимается с диагонали моста (рис 4.8). Погрешность манометра может иметь значение 1,0 %; 0,5 %;
0,25 %. Датчики выпускаются промышленностью для измерения давления в определённом диапазоне, выбираемом из следующего ряда (в МПа
0 . 1 0...1.6 0 . 2 , 5 0...4.0 0...6.3 0...10 0...16
74

Глава 5 МЕТОДЫ ИПР ИБО Р Ы ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА Под величиной расхода понимается количество продукта, прошедшего через заданное сечение трубопровода в единицу времени. Количество продукта может измеряться в объёмных и массовых единицах. Устройства, измеряющие массовые величины, называют массовыми расходомерами. Расходомеры, определяющие объёмный
пягхол. называются объёмными оасхоломеоами. Выпускаются следующие типы расходомеров и счетчиков количества Расходомеры переменного перепада давления. Турбинные расходомеры жидкости
- турбинные расходомеры с механическим счётным механизмом
- турбинные расходомеры с индукционным узлом съёма сигнала. Ультразвуковые расходомеры жидкости. Электромагнитные расходомеры жидкости. Вихревые расходомеры жидкости
- с индуктивным преобразователем сигнала
- с электромагнитным преобразователем сигнала
- с ультразвуковым преобразователем сигнала. Расходомеры постоянного перепада давления (ротаметры.
• Кориолисовы расходомеры.
75

5.1. РАСХОДОМЕРЫ ПЕРЕМЕННОГО ПЕРЕПАДА ДАВЛЕНИЯ При проходе потока через сужающее устройство (рис. 5.1) часть потенциальной энергии потока переходит в кинетическую, поэтому статическое давление после сужающего устройства становится меньше давления перед сужающим устройством. Разность давлений дои после сужающего устройства тем больше, чем больше расход протекающего вещества. Следовательно, перепад давления может служить мерой расхода. Из графика видно, что после сужающего устройства давление резко падает, а затем постепенно возрастает до нового установившегося значения. Однако оно не достигает исходного значения из-за потери части энергии на трение и завихрения потока в зонах, прилегающих к поверхности сужающего устройства. Величина безвозвратных потерь давления равна р
и
. Перед сужающим устройством давление несколько возрастает за счёт сжатия потока. Минимальное давление р наблюдается на некотором расстоянии от сужающего устройства. Для реализации этого метода разработаны стандартные сужающие устройства - диафрагмы, сопла и трубы Вентури рис. 5.2), характеристики которых можно определить расчётным путём.
76

Рис. Виды сужающих устройства диафрагма ; б — сопло в — труба
Вентури Конструкция последних двух наиболее приближена к форме струи потока, их профиль повторяет профиль изменения давления вдоль трубы, поэтому безвозвратные потери давления у них наименьшие. Диафрагма имеет в сечении вид шайбы с заостренной кромкой. Простота конструкции и монтажа диафрагмы обусловили их наибольшее распространение.

Рис. 5.3. Внешний вид дифма-
нометра расходомера переменного перепада давления Основные недостатки метода
- потери давления на сужающем устройстве
- малый динамический диапазон измерения расхода
78

5.2. ТАХОМЕТРИЧЕСКИЕ (ТУРБИННЫЕ) РАСХОДОМЕРЫ Рис. Устройство турбинного расходомера
1 - турбинка (вертушка 2 - подшипники 3 - электромагнитный преобразователь (с помощью которого измеряют частоту вращения) Рекомендуется также использовать струевыпрямитель, который ставят перед расходомером (рис. 5.5).
Струевыпрямитель изготавливается из трубок, расположенных параллельно оси трубопровода и заполняющих всего сечение. На рис. 5.6 показан внешний вид турбинного расходомера. Турбинные расходомеры жидкости с индукционным узлом
съёма сигнала Частота вращения турбинки преобразуется в электрический сигнал в индукционном преобразователе, в котором возникает ЭДС индукции при пересечении лопаткой тур­
бинки магнитного поля преобразователя. Далее электрический
79

Рис Конструкция струевыпрямителя: а - фланцевое исполнение б - бесфланцевое исполнение Рис 5.6. Внешний вид турбинного расходомера сигнал передаётся в электронный блок, где преобразуется в значения расхода и количества прошедшей через расходомер жидкости. В ряде расходомеров в электронном блоке осуществляется кусочно-линейная интерполяция характеристики расходомера, чем достигается уменьшение основной погрешности за счёт линеаризации градуировочной характеристики. На вид характеристики турбинного расходомера сильно влияет изменение кинематической вязкости измеряемой жидкости, поэтому результаты градуировки на воде не вполне достоверны, если измеряемая жидкость имеет большую кинематическую вязкость. Турбинные расходомеры могут применяться для измерения нефтепродуктов и могут быть отградуированы на реальном продукте. Для измерения объёма нефти на узлах учёта нефтяной промышленности выпускаются счётчики нефти турбинные МИГ с относительной погрешностью измерения в диапазоне 20... 100 % объёмного расхода не более ±0,15 %. Имеются модификации приборов на давление измеряемой среды 1,6; 2,5; 4,0; 6,3;
16,0 МПа и на диаметры трубопроводов 40, 50, 65, 80, 100, 150,
200, 250, 400 мм. Также для измерения объёмного количества нефти выпускаются счетчики НОРД-М на давление измеряемой среды 2,5; 6,3;
16,0 МПа и на диаметры 40, 50, 65, 80, 100, 150, 200 мм. Относительная погрешность измерения в диапазоне 20... 100 % объёмного расхода для Д, 80 мм - не более +1,5 %, для D
y
100 мм - +0,5 %.
5.3. УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ РАСХОДОМЕРЫ В качестве излучателя и приёмника обычно используют пьезоэлектрические преобразователи. При измерении в газовых сре-
81

Рис. 5.8. Принцип действия ультразвукового расходомера
7 - излучатель ультразвука 2 - приемник ультразвука с - скорость движения среды (потока с - скорость распространения ультразвука в среде / - расстояние между излучателем и приёмником ультразвука

Рис. 5.10. Расходомер с накладными пьезоэлектрическими преобразователями
84

Рис. 5.11. Доплеровский расходомер
85

Оба типа измерения дополняют друг друга если при времяимпульсном методе измерения расхода наличие инородных частиц и пузырьков нежелательно (они рассеивают измерительный луч, то доплеровский метод измерения расхода, наоборот, требует наличия примесей и пузырьков. Некоторые современные расходомеры совмещают в себе оба типа измерения, расширяя таким образом область применения. В реальных условиях в формировании сигналов объёмного рассеяния принимает участие совокупность рассеивателей различной природы, случайно расположенных в пространстве. При этом понятие доплеровское смещение сменяется концепцией доплеровского спектра, отражающей распределение принятой энергии как функции радиальных скоростей рассеивателей. Для того чтобы можно было пользоваться приведенной формулой в реальных расчетах, достаточно под величиной /
0
подразумевать центр тяжести спектра отраженного сигнала. ШИРОКО ЛУЧЕВЫЕ УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ РАСХОДОМЕРЫ Технология «широколучевого» измерения реализуется, как правило, с помощью ультразвуковых волн Лэмба. Волной Лэмба называется волна, распространяющаяся между поверхностями стенки трубы вдоль поверхности трубопровода. При каждом отражении от границы труба-среда в среде возбуждается волна, направленная внутрь измеряемого потока. В результате создаётся пучок когерентных измерительных лучей, который и называют широким лучом (рис. 5.12). Рис. Формирование широкополосного ультразвукового луча

Широкий луч обеспечивает нечувствительность расходомера к примесям в среде. Если один из параллельных лучей широкого пучка перекрывается инородной частицей примеси, то измерение обеспечивают другие лучи. При использовании накладных расходомеров возможны изменения характеристик материала трубы. Это приводит к изменению времени прохождения ультразвукового луча ив конечном итоге к ошибке измерения величины расхода. Использование волны Лэмба, проходящей по стенке трубы как дополнительного опорного) сигнала, позволяет рассчитать скорость распространения ультразвука в металле. Указанные преимущества открыли путь к созданию накладных расходомеров, не уступающих по характеристикам ни традиционным расходомерам, ни врезным ультразвуковым расходомерам. Широкий измерительный луч отлично зарекомендовал себя при измерении потоков нефти пьезоэлектрические датчики на откалиброванной трубе сертифицируются как измерительные средства с точностью 0,15 % объёмного расхода.
5.4. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ РАСХОДОМЕРЫ
87

я о.
V
2 ом и а а. гл э в я

1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   23