авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 |

Ультразвуковой метод и устройство контроля расхода природного газа в системе управления газовыми потоками

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Деревягин Глеб Александрович

УЛЬТРАЗВУКОВОЙ МЕТОД И УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ РАСХОДА ПРИРОДНОГО ГАЗА В СИСТЕМЕ УПРАВЛЕНИЯ ГАЗОВЫМИ ПОТОКАМИ

Специальность 05.13.05 – Элементы и устройства вычислительной техники

и систем управления

Автореферат

диссертации на соискание учёной степени

кандидата технических наук

Саратов 2010

Работа выполнена

в ГОУ ВПО “Саратовский государственный технический университет”

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

заслуженный деятель науки РФ,

профессор Байбурин Вил Бариевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Львов Алексей Арленович

доктор физико-математических наук, профессор Аникин Валерий Михайлович

Ведущая организация: ОАО “Центральный научно- исследовательский

институт измерительной аппаратуры”

(ЦНИИИА, г. Саратов)

Защита состоится 30 июня 2010 г. в 13:30 на заседании диссертационного совета Д 212. 242.08 при ГОУ ВПО “Саратовский государственный технический университет” по адресу: 410054, г. Саратов, ул. Политехническая, 77, корп. 1, ауд. 212.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ГОУ ВПО “Саратовский государственный технический университет”.

Автореферат разослан “ 28 “ мая 2010 г.

Учёный секретарь

диссертационного совета Терентьев А.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Природный газ является одним из основных энергоносителей в России. За год в стране добывается более 500 млрд м3 природного газа. В условиях рыночной экономики значительно возросли требования, предъявляемые к средствам контроля и учёта в системах управления газовыми потоками, включающими, в частности, пункт диспетчеризации, регуляторы, компрессорные станции, устройства контроля расхода газа.

В настоящее время наиболее перспективными устройствами контроля и учёта расхода газа являются ультразвуковые, основанные на определении времени распространения акустического сигнала в газовом потоке вдоль и против движения потока. Подобным устройствам (расходомерам) посвящены работы П.П. Кремлёвского, А.С. Фомина, А.М. Деревягина, В.И. Свистуна, В.В. Козлова, Per Lunde, Kjell-Eivind Froysa, Magne Vestrheim, John Lansing, Koos van Helden и др.

Вместе с тем, анализ конструктивных особенностей и технических характеристик известных ультразвуковых расходомеров (Flowsick, Instromet, Q.Sonic, Гиперфлоу-УС и др.) показывает, что проблемы создания достаточно надёжно работающих преобразователей расхода решены далеко не полностью.

В частности, необходимо обеспечить надёжное определение расхода в “загрязнённых” газовых средах, разработать эффективно работающий в этих средах электроакустический преобразователь и выявить возможные причины измерительных погрешностей, дав рекомендации по их устранению. Изложенное определило актуальность темы работы и её цель.

Цель работы заключается в развитии методических и технических средств, реализуемых в устройствах контроля и учёта расхода газа в системах управления газовыми потоками, в том числе содержащими нежелательные примеси.



Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

  1. Разработка алгоритма определения времени задержки сигнала в электроакустическом тракте преобразователя расхода, использующем как основной элемент электроакустические пьезоэлектрические преобразователи (датчики) мембранного типа.
  2. Развитие математической модели распространения акустического сигнала в цилиндрическом трубопроводе и оценка уменьшения погрешности определения расхода с учётом проведённых исследований.
  3. Совершенствование конструкции мембранного пьезоэлектрического преобразователя для обеспечения надёжной работы расходомера в “загрязнённых” газовых средах и в условиях существенных шумов, создаваемых регуляторами системы управления.
  4. Формирование принимаемого электрического сигнала заданной длительности.

Достоверность результатов диссертации обеспечивается корректностью поставленных задач исследования, применением апробированных аналитических и численных методов анализа. Основные теоретические результаты и результаты математического моделирования подтверждены экспериментальными данными.

Научная новизна

1. Разработана трёхмерная математическая модель распространения акустического сигнала в абсолютно жёстком цилиндрическом трубопроводе и выявлены эффекты изменения формы сигнала при его отражении от стенки трубопровода.

2. Разработан эффективный пьезоэлектрический электроакустический преобразователь мембранного типа, обеспечивающий многоканальность измерительной системы при работе одной пары датчиков, надёжность её работы в “загрязнённых” газовых средах и в условиях существенных шумов, создаваемых регуляторами системы управления.

3. Предложен метод определения скорости газового потока в трубопроводах, отличающийся учётом сигналов, прошедших по разным акустическим путям при использовании одной пары датчиков и позволяющий контролировать изменения внутренних размеров трубопровода, вызванное, например, “засорением” трубопровода тяжёлыми примесями, содержащимися в газе.

4. Предложен способ ограничения длительности электрического сигнала на приёмнике за счёт формирования специального передаваемого электрического сигнала, позволяющий разделять во времени сигналы, пришедшие по разным акустическим путям.

Положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Предложенный метод определения скорости газового потока в трубопроводах учитывает сигналы, прошедшие по разным акустическим путям при использовании одной пары датчиков и позволяет контролировать изменения внутренних размеров трубопровода, вызванные, например, “засорением” трубопровода тяжёлыми примесями, содержащимися в газе.

2. Предложенный пьезоэлектрический электроакустический преобразователь (датчик) мембранного типа обеспечивает многоканальность измерительной системы при работе одной пары датчиков, эффективность её работы в “загрязнённых” газовых средах и при наличии посторонних акустических шумов.

3. Способ ограничения длительности электрического сигнала на приёмнике за счёт формирования специального передаваемого электрического сигнала, позволяющий разделять во времени сигналы, пришедшие по разным акустическим путям.

4. Трёхмерная математическая модель распространения акустического сигнала в абсолютно жёстком цилиндрическом трубопроводе и эффекты изменения формы сигнала при его отражении от стенки.

5. Комплекс программ расчёта и анализа акустического сигнала, излучённого мембранным излучателем в цилиндрический канал.

Практическая значимость результатов состоит в совершенствовании ультразвукового метода определения расхода газовых сред и конструкции пьезоэлектрических датчиков, разработке способа формирования и обработки сигнала, повышении точности измерения. Результаты исследований внедрены в ультразвуковой расходомер НПФ “Вымпел”, имеется акт внедрения.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на Международной конференции International Gas Union Research Company 2008 (Париж, 2008), на XXII Международной конференции “Математические методы в технике и технологиях” (Саратов, СГТУ, 2009), конференции “Инновации и актуальные проблемы техники и технологии” по программе У.М.Н.И.К. (Саратов, СГТУ, 2009).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ, из них 4 – в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 1 свидетельство Роспатента о государственной регистрации программы для ЭВМ.

Структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность работы, формулируются цель исследования, новизна и практическая значимость.

Первая глава посвящена существующей методике определения расхода природного газа с помощью ультразвуковых преобразователей (датчиков), основным недостатком которой является расположение датчиков под углом к поверхности трубопровода. В результате образуются “карманы” в местах установки датчика. Это препятствует использованию ультразвуковых расходомеров на газах, содержащих примеси, которые со временем забивают “карманы” и препятствуют излучению и приёму ультразвука датчиками. В результате расходомер выходит из строя. Чтобы избежать этого недостатка, предложен ультразвуковой метод, в котором “карманы” отсутствуют.

Вторая глава посвящена принципиально новой измерительной схеме, позволяющей избежать основных недостатков, присущих известным ультразвуковым методам. Среди её преимуществ – возможность работы на “грязных” газах благодаря отсутствию карманов в местах установки датчиков, возможность регистрации толщины наносного слоя в трубопроводе благодаря обработке сигналов по нескольким акустическим путям при работе одной пары датчиков и др.

Отличительной конструктивной особенностью метода является расположение ультразвуковых датчиков перпендикулярно к оси трубопровода и совмещение их излучающей поверхности с внутренней поверхностью трубопровода (рис.1). Это позволяет, с одной стороны, избежать погрешности измерения, связанной с возмущением потока выступающими элементами, с другой – устранить “карманы” в местах установки датчиков, что обеспечивает их применение в среде “грязных” газов.

 Схема расположения ультразвуковых-0

Рис. 1. Схема расположения ультразвуковых датчиков

и варианты прохождения акустического сигнала

В качестве ультразвуковых датчиков используются мембранные резонансные пьезоэлектрические преобразователи (ПЭП), обладающие достаточно широкой диаграммой направленности излучения и позволяющие обрабатывать сигналы, проходящие по нескольким акустическим путям (каналам). Используются “основные” пути, проходящие через диаметр трубопровода и имеющие однократное и трёхкратное отражение от стенки (рис.1), и “дополнительные” пути, имеющие более сложную геометрическую форму (рис.2).

Рис. 2. Варианты прохождения акустических сигналов

Объёмный расход газа в трубопроводе вычисляется по формуле:

QО = SvS, где vS = kvL. (1)

Здесь S – площадь сечения трубопровода; vS – средняя по сечению скорость газовой среды; k – поправочный коэффициент, связывающий vS и среднюю скорость потока вдоль выбранного пути vL. Величина vL связана со временами распространения акустического сигнала по движению потока и против известным соотношением:

Здесь t12 и t21 – времена распространения, соответственно по потоку и против него; L – длина акустического пути; – угол наклона акустического пути относительно оси трубопровода.

Использование дополнительных акустических путей позволяет без потери точности измерения расхода регистрировать толщину слоя тяжёлых примесей в газе, которые откладываются на дне трубопровода с течением времени. На рис. 3 представлена схема расположения хорд акустических каналов в проекции на сечение трубопровода при наличии слоя примесей толщины h.

Рис.3. Схема расположения хорд акустических каналов

Из рис. 3 видно, что наличие слоя не влияет на распространение сигнала по пути L2, при этом длина пути L1 сокращается на величину, зависящую от h. Таким образом, по пути L2 определяется реальный расход газа, а по отклонению расхода, вычисленного вдоль L1, от реального оценивается толщина наносного слоя h.

Следует отметить, что использование основного пути L1 для измерения расхода является неприемлемым, поскольку небольшая толщина наносного слоя (h=1см) влечёт существенную погрешность измерения расхода (=2,7%) на типичном трубопроводе с диаметром D=300 мм.

Разделение во времени сигналов, приходящих по различным акустическим путям, требует ограничения длительности сигнала.

В данной измерительной системе задача ограничения длительности принимаемого сигнала 3 решена путем синтеза специального передаваемого электрического сигнала 1, который создаёт акустический сигнал 2 на передатчике, формирующий электрический сигнал 3 заданной длительности при возбуждении приёмника. Рис. 4 иллюстрирует этот принцип.

Рис. 4. Иллюстрация принципа синтеза сигнала:

1 – передаваемый электрический сигнал; 2 – акустический сигнал; 3 – принимаемый электрический сигнал

Таким образом происходит формирование сигнала заданной длительности и разделение во времени сигналов, пришедших по разным акустическим путям. В следующей главе приведена методика определения времени распространения сигнала.

Третья глава посвящена корреляционному методу определения времени распространения сигнала в измерительной системе, а также построению опорного сигнала для вычисления взаимно-корреляционной функции.

Анализ производится применительно к электроакустической схеме на рис. 5. Формируемый генератором специальный электрический сигнал x(t) поступает на передающий ПЭП, преобразуется в акустический, распространяется в акустическом тракте и по нескольким акустическим путям приходит на принимающий ПЭП. Далее эти акустические сигналы преобразуются обратно в электрический сигнал и после усиления поступают на АЦП для последующей математической обработки и расчёта взаимно-корреляционной функции.

Рис. 5. Электроакустическая схема ультразвуковой измерительной системы




Пусть x(t) – сигнал на генераторе; y(t) – реальный электрический сигнал, принимаемый на АЦП; – опорный сигнал, подлежащий сравнению с принимаемым. Ввиду прохождения сигнала в акустическом тракте по разным путям принимаемый сигнал y(t) будет представлять собой сумму сигналов , имеющих различные временные задержки i:

где ai – амплитуда принятого сигнала для i-го пути; n(t) – некоррелированный шум.

Время задержки сигнала i для i-го измерительного канала определяется при помощи взаимно-корреляционной функции (ВКФ) . Имеет место тождество:

где Е – символ математического ожидания. Время задержки i находится из соотношения:

где i0 – время распространения сигнала при отсутствии газового потока.

Для расчёта опорного сигнала используется входной электрический сигнал на генераторе. Спектр-Фурье опорного сигнала определяется из выражения:

(6)

где .

Здесь - спектр входного сигнала; H1, H2 – частотные характеристики ПЭП1 и ПЭП2; f1, f2 – собственные частоты колебания 1-го и 2-го датчиков; 1, 2 - коэффициенты затухания датчиков; 1 – фазовый сдвиг спектра в акустическом тракте; 2(f) – частотная характеристика усилителя.

Собственные частоты колебания и коэффициенты затухания датчиков, а также фазовая характеристика усилителя определяются путём периодического тестирования этих элементов, фазовый сдвиг в акустическом тракте оценивается теоретически.

Следующая глава посвящена определению фазовой задержки в акустическом тракте. Для этого решается волновая задача распространения акустического сигнала в цилиндрическом трубопроводе.

В четвёртой главе исследуется процесс распространения в жёстком цилиндрическом канале акустического сигнала малой длительности с гармоническим заполнением. Произведён анализ изменения формы акустического сигнала при его распространении.

Пусть излучение сигнала производится квадратной мембраной малого размера 2dx2d (d<<R), расположенной на стенке канала радиуса R (рис.6).

 Область расположения излучающей-17
Рис.6. Область расположения излучающей мембраны и точки приёма

Предположим, что излучённый сигнал давления задаётся формулой:

где - частота акустических колебаний; n – число периодов; - длительность излучения (рис.7).

Рис.7. Пример сигнала давления на излучателе


Pages:   || 2 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.