УДК 681.121
КОНСТРУКЦИЯ ДАТЧИКА КОЛЕБАНИЙ СТРУИ
ДЛЯ АНАЛИЗА МАССОВОГО РАСХОДА СТРУЙНЫМИ РАСХОДОМЕРАМИ-СЧЕТЧИКАМИ
CONSTRUCTION OF JET OSCILLATION SENSOR FOR MASS DISCHARGE ANALYSIS BY JET-STREAM FLOWMETER-COUNTERS
Зюбин Игорь Александрович
канд. техн. наук, доцент Е-mail: banzay1@mail.ru
Национальный исследовательский университет "МЭИ", г. Москва
Аннотация: Рассмотрено применение струйных первичных преобразователей расходомеров и счетчиков количества для учета сжиженных углеводородных газов. Отмечены особенности конструирования датчика положения струи для данной сферы применения. Предложена схемотехническая реализация обработки сигнала датчика, которая позволяет измерять не только объемный расход, но и определять плотность контролируемой среды и, соответственно, контролировать массовый расход продукта.
Ключевые слова: струйный расходомер-счетчик; измерение расхода; объемный расход; массовый расход; частота колебаний, автогенератор, синхронный детектор.
введение
Одним из перспективных и стабильно развивающихся направлений природопользования является сфера потребления такой специфической жидкости, как сжиженная пропан-бутановая смесь (СПБС) или сжиженный углеводородный газ (СУГ).
Пропан-бутановая смесь — это смесь двух нефтяных углеводородных газов — пропана C3H и бутана C4H10. В газообразном состоянии она бесцветна, не ядовита, тяжелее воздуха, обладает резким запахом от одорантов (сильно пахнущих веществ, добавляемых в газ для обнаружения возможной утечки). При понижении температуры и повышении давления смесь переходит в жидкое состояние.
Большое преимущество пропан-бутановых смесей — их близость по основным характеристикам к традиционным моторным видам топлива, что обуславливает их широкое применение как альтернативы традиционным бензину и дизельному топливу. Существует множество видов расхо-
Zyubin Igor A.
Ph. D. (Tech.), Associate Professor Е-mail: banzay1@mail.ru
National Research University "Moscow Power Engineering Institute", Moscow city
Abstract: The special case of use of jet primary converters of flowmeters and counters of quantity for the accounting of the liquefied natural gas is considered. Features of designing of the sensor of provision of a stream for this scope of the device are presented. Circuitry realization of processing of a signal of the sensor which allows to measure not only a volumetric flow rate, but also to determine density of the controlled environment and, respectively, to control a mass flow rate of the product is briefly analyzed.
Keywords: jet flowmeter counter; flowmeter; measurement of an expense; volumetric flow rate; mass flow rate; frequency of fluctuations, jet oscillator, synchronous demodulator.
домеров и счетчиков, которые адаптированы для коммерческого и технического учета данного вида жидкостей. Наиболее эффективным, но одновременно и одним из самых дорогостоящих являются кориолисовы расходомеры. Основными преимуществами данного вида приборов являются возможность измерения массового расхода и слабая чувствительность к агрегатному состоянию вещества, основными недостатками — высокая стоимость и относительная чувствительность к механическим воздействиям. Эти недостатки ограничивают круг их возможного применения, и в большинстве случаев согласно классификации, предлагаемой в [1], они используются как камерные расходомеры и счетчики.
Межповерочный интервал таких агрегатов относительно мал, так как измеряемая жидкость обладает плохими смазывающими характеристиками и несет в себе частицы замерзшей воды, которые оказывают дополнительное разрушающее воздействие на уплотнительные элементы приборов учета.
40
Sensors & Systems • № 7.2015
струйный расходомер-счетчик
Увеличение надежности работы технологических линий распределения и систем дозирования СУГ конечным потребителям может быть достигнуто за счет применения в качестве первичного преобразователя расходомера-счетчика струйного автогенератора [2]. С этой целью был разработан первичный преобразователь струйного расходомера-счетчика СПБС, показанный на рис. 1.
Представленный вариант преобразователя обеспечивает качество измерения потока в диапазоне от 5 до 70 л/мин при рабочем давлении 1,5 МПа и предельном давлении до 2,5 МПа. При проведении испытаний на мерной емкости 20 л погрешность учета не превышала ±0,3 %, что соответствовало исходному техническому заданию. При этом потенциал системы не был полностью исчерпан как с точки зрения прочностных характеристик корпуса (рабочее давление может быть повышено), так и в области точности измерений (возможно снижение погрешности до ±0,2 %).
Так как струя измеряемой жидкости попеременно присоединяется к одной или другой стенке, основную роль играет разностной сигнал давления. Для подавления синфазных сигналов часто в качестве детектора положения струи применяют дифференциальный датчик давления. В ходе практического внедрения струйного расходомера-счетчика как средства измерения было обнаружено, что необходим специальный датчик положения струи (сенсор).
В состав сенсора входят два функциональных узла — преобразователь давления в электрический сигнал и вторичная аппаратура, в задачу которого входит преобразование электрического сигнала в данные, поступающие оператору. В свою очередь вторичную аппаратуру можно разделить на два узла: усилительно-детекторный и индикаторный.
К сенсору струйного автогенератора предъявляется целый ряд требований, которые обусловлены особенностями перекачиваемой жидкости. В рамках традиционной идеи применения струйного преобразователя к датчику предъявляются требования по надежному детектированию положения струи. В этом случае прибор функционирует как объемный расходомер-счетчик.
Для обеспечения контроля плотности перекачиваемой среды и реализации дополнительной функции струйного расходомера-счетчика как
Рис. 1. Внешний вид первичного преобразователя струйного расходомера-счетчика
массового расходомера-счетчика требуется определить не только частоту переключения струи, но и амплитуду пульсации давления в процессе коммутации, что иллюстрируют следующие зависимости:
Ар ~ Ав;
Ар^Р
кАр;
2 ;
/ 2
где Ар — величина пульсации давления в процессе коммутации; Ар — амплитуда пульсации давления; р — плотность среды; и — средняя скорость в сечении струи; / — частота переключений струи; к — коэффициент пропорциональности.
Хорошо зарекомендовавшие себя в ходе лабораторных исследований струйных автогенераторов пьезоэлектрические преобразователи давления вырабатывают сигнал, пропорциональный первой производной пульсации давления. Таким образом, они чувствительны к высокочастотным помехам. Данный вид помех хорошо фильтруется и сравнительно слабо проявляет себя в лабораторных условиях. Тем не менее, при натурных исследованиях на различных объектах эти помехи, вызванные различными факторами, такими как работа насосных агрегатов, развитая канализация и т. п., привели к ощутимому снижению качества полезного сигнала. С учетом того, что требуемый параметр является интегралом измеряемой величины, практическая ценность полученного результата еще больше снижается.
Одновременно с этим на практике при подключении приемной емкости для отгрузки СУГ происходит ударное нарастание дифференциального давления на преобразователе, что приводит к отслаиванию пьезокристалла от токопроводящей подложки. Эта же проблема ограничивает применение в данных условиях сравнительно широко распространенных преобразователей давления, в которых на чувствительную мембрану наносится какой-либо тензорезистивный слой [3].
индуктивный датчик положения струи
С учетом указанных особенностей выбор был остановлен на индуктивном преобразователе с неподвижными катушками и подвижной мембраной. Конструкция преобразователя выполнена по
классической схеме, характерной для мембранных измерительных приборов [3, 4] и представляет собой две камеры, разделенные ферромагнитной мембраной, по обе стороны которой установлены катушки индуктивности.
Изменение разности давлений по обе стороны мембраны вызывают ее прогиб и, соответственно, уменьшение зазора в магнитной цепи одной катушки с одновременным его увеличением во второй. Таким образом, величины индуктивности катушек попеременно возрастают или убывают в противофазе друг другу, что на схеме (рис. 2) обозначено в виде пересекающих катушки индуктивности стрелок, соединенных между собой штриховой линией.
Детали корпуса датчика выполнены так, что при перегрузке мембрана укладывается на опорную поверхность, чем исключается не только ее
Рис. 2. Функциональная схема датчика положения струи
разрушение, но и предотвращается избыточная деформация, что особенно важно для сохранения калибровочной характеристики.
Следующим шагом стал выбор рабочей частоты питающего тока преобразователя. С одной стороны, рост частоты обеспечивает сравнительно малые габаритные размеры устройства и хорошую чувствительность. Однако возникла проблема, связанная с высокой способностью СУГ к диффузии через неметаллические материалы, такие, например, как капролон (полиамид), фторопласт, эбонит, различные виды полиэтиленов, силиконов и поликарбонатов, которые не являются надежной защитой от СУГ при высоких давлениях.
Те же самые материалы вполне стойки к воздействию газов при атмосферном давлении или при равенстве давлений до уплотнения и за ним. Но утечка газов через уплотнительные элементы из указанных материалов является медленной, и концентрация газов в зоне системы распределения не превышает допустимой величины, поэтому данная проблема не влияет на организацию работы персонала и, соответственно, ранее интерес к ней не проявлялся. На работу размещаемого оборудования эта проблема также влияния не оказывает, если оборудование соответствует нормам, которые предъявляются к приборам, располагаемым в зоне распределения СПГ.
СПБС способна растворять большинство лаков, применяемых для защиты проводов обмоток катушек индуктивности. Медленная диффузия молекул СПГ в зону датчика постепенно приводит к разрушению чувствительного элемента. Поэтому защита катушек была выполнена из
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.