3.1.2 Принцип работы

TransPort использует один из двух принципов работы в зависимости от того, каким методом ведутся измерения: время-импульсным или зондирующим.

3.1.2.1 Время-импульсный метод. Когда Transport использует время-импульсный метод, ультразвуковые импульсы распространяются сквозь движущуюся жидкость. Импульсы, распространяющиеся в направлении течения жидкости (вниз по течению) движутся немного быстрее, чем импульсы, распространяющиеся против течения (вверх по течению). Transport использует различные способы цифровой обработки сигналов, включая кросс-корреляцию, для определения разницы времени распространения и использует их для вычисления скорости потока.

.1.2.2 Зондирующий метод. Один из преобразователей передает группу импульсов (обычно 16) с регулярными интервалами (обычно от 5000 до 1000 передач/с). Ультразвуковые импульсы проходят через жидкость, отражаются от включений (таких как пузырьки, твердые частицы) и затем принимаются вторым преобразователем.

Принятые ультразвуковые сигналы представляют собой "картинки", непрерывно получаемые в данном месте трубы. Transport сравнивает эти "картинки одну с другой по мере их получения. Путем сравнения (усреднения) этих "картинок" Transport может исключить из рассмотрения неподвижные объекты. Transport измеряет разницу времени прохождения сигнала к движущимся объектам и от них в каждой "картинке". Разница времени (Тm) используется для вычисления скорости потока.

Расходомеры фирмы Panаmetrics, измеряют поток с использованием метода, основанного на измерении времени прохождения импульсов. При этом два преобразователя укрепляются на трубе, причем один выше другого по течению. Они поочередно посылают ультразвуковые импульсы сквозь жидкость и принимают их. Импульсы, направленные в ту же сторону, в которую течет жидкость (вниз по течению), распространяются немного быстрее, чем импульсы, идущие навстречу жидкости (вверх по течению). Соединенное с преобразователями электронное устройство расходомера измеряет время прохождения импульсов от одного преобразователя к другому как вверх, так и вниз по течению и на основании этой информации вычисляет скорость течения.

Точность и производительность работы расходомера в большой мере зависят от расположения преобразователей, расстояния между ними и их ориентации. Данная инструкция по установке преобразователей дает общие правила расположения и установки большинства видов преобразователей.

.1.2 Принцип действия ультразвукового датчика толщины

Все ультразвуковые датчики толщины основаны на измерении времени распространения звукового импульса в тестируемом материале по кольцевой траектории. Поскольку твердый металл имеет акустический импеданс, отличный от импеданса газов, жидкостей и продуктов коррозии, таких как ржавчина или накипь, звуковой импульс отражается от поверхности металла. Измерительные устройства запрограммированы на скорость звука в тестируемом материале и вычисляют толщину стенки по простой формуле

Расстояние = Скорость х Время.

Одноэлементные преобразователи используют один элемент в качестве как передатчика так и приемника. Преобразователи на двух элементах включают отдельные передающие и приемные элементы. Такие элементы устанавливаются на линиях задержки, которые обычно образуют угол с горизонтальной плоскостью (углом свода) так, что траектории передаваемого и принимаемого пучков пересекаются под поверхностью тестируемого участка. Такое устройство двухэлементных преобразователей обеспечивает эффект псевдофокусировки, оптимизирующий измерения минимальной толщины стенки при наличии коррозии. Двухэлементные преобразователи чувствительнее одноэлементных к отражениям от дна коррозионных изъязвлений, которые соответствуют минимуму остаточной толщины стенки. Кроме того, двойные преобразователи обычно более эффективны на шероховатой наружной поверхности, являющейся входной для звука, порождают длинные кольцевые интерфейсные отражения, понижающие приповерхностное разрешение одноэлементных преобразователей.

В двухэлементных преобразователях приемник не способен уловить это ложное эхо. Наконец, двухэлементные преобразователи могут применяться для высокотемпературных измерений, при которых контактные одноэлементные преобразователи могут быть повреждены.

Факторы, влияющие на выполнение операций и точность:

поверхностные условия, рыхлая или чешуйчатая накипь, ржавчина или пыль на наружной поверхности тестируемого куска препятствуют прохождению звуковой энергии из преобразователя в тестируемый материал. Таким образом, любые рыхлые наносы такого сорта должны быть удалены с образца проволочной щеткой или напильником до начала измерений. Вообще говоря, можно выполнить измерения сквозь тонкий слой ржавчины, если только ржавчина гладкая и плотно прилегает к нижележащему металлу. Некоторые очень покоробленные или коррелированные поверхности требуют обработки напильником или шлифовки для обеспечения достаточного звукового контакта. Может также оказаться необходимым удалить краску, если она намазана толстым слоем или отслаивается от металла. В то время, как обычно можно делать измерения толщины сквозь тонкий слой краски (от 0,1 до 0,2 мм), толстый слой будет поглощать сигналы или порождать ложные отражения, что приведет к неточным измерениям.

Может оказаться проблемой существование сильных неоднородностей внешней поверхности или резервуара. На некоторых шероховатых поверхностях помочь звуковой энергии проникнуть в тестируемый участок может использование геля или консистентной смазки вместо жидкой. В исключительных случаях может оказаться необходимым отшлифовать поверхность до гладкости, достаточной для обеспечения контакта с лицевой поверхностью преобразователя. В случаях, когда имеют место глубокие углубления на наружной поверхности трубы или резервуара, обычно бывает нужно измерить остаточную толщину металла от дна углублений до внутренней стенки. Существует сложная ультразвуковая техника, использующая сфокусированные иммерсионные преобразователи, способные измерять непосредственно от дна до внутренней стенки, но она обычно неприменима для полевых работ.

Распространенный метод состоит в измерении неизъязвленной толщины металла ультразвуковым датчиком, измерении глубины углублений механическим способом, и вычитании глубины из измеренной толщины стенки. По-другому, можно отшлифовать поверхность до уровня дна углублений и померить обычным способом.

Как и при любых сложных измерениях, наилучшим способом определения возможных сочетаний датчик - преобразователь для данной поверхности является экспериментирование с реальным образцом;

расположение, выравнивание преобразователя. Для хорошей передачи звука преобразователь должен быть плотно прижат к тестируемой поверхности. На цилиндрических поверхностях малого диаметра, таких, как трубы, устанавливают преобразователь так, чтобы видимая на зондирующем торце полоса звукоизолирующего материала была ориентирована перпендикулярно центральной оси трубы (рисунок 3.1).

Рисунок 3.1 - Расположение преобразователей на цилиндрических поверхностях

калибровка, точность измерений не превосходит точности калибровки датчика. В Transport внутренняя настройка калибровки отсутствует. Использование ультразвукового датчика толщины, даже если преобразователь заменен или имеются основания сомневаться в точности измерений. Периодические проверки на образцах известной толщины рекомендуются для проверки правильного функционирования датчика;

скос или эксцентричность, если контактная поверхность и задняя поверхность скошены или эксцентричны друг относительно друга, возвращающееся эхо снова искажается, и точность измерений снижается;

акустические свойства материала, у конструкционных материалов имеется несколько характеристик, которые могут существенно ограничить точность, а также диапазон пригодных для измерения толщины:

а) рассеяние звука, в некоторых материалах, особенно в некоторых видах литой нержавеющей стали, чугуне, а также композитах звуковая энергия рассеивается на отдельных кристаллитах в отливке или на разнородных материалах в композите. Этот эффект снижает возможность надежного различения сигнала, отраженного от обратной стороны материала, тем самым понижает возможность ультразвукового тестирования;

б) изменения скорости, в большом числе материалов скорость звука существенно меняется от точки к точке. В определенных видах литой нержавеющей стали и латуни этот эффект обусловлен сравнительно большими размерами зерна и анизотропией скорости звука по отношению к ориентации зерна. В других материалах скорость звука быстро меняется с температурой. Это типично для пластических веществ, в которых для обеспечения максимальной точности температура должна контролироваться;

в) ослабление или поглощение звука, во многих органических веществах, таких как пластики низкой плотности или каучук, звук очень быстро ослабляется на частотах, которые используются в обычных ультразвуковых датчиках толщины. Поэтому максимальная толщина, которую можно измерить в этих веществах, часто ограничена ослаблением звука.

.2 Ультразвуковой расходомер УРСВ-010М "ВЗЛЕТ РС"

Расходомер УРСВ-010М "ВЗЛЕТ РС" предназначен для измерения объемного расхода и объема различных жидкостей в широком диапазоне температур, в том числе холодной и горячей воды, в напорных металлических и пластмассовых трубопроводах в различных условиях эксплуатации, в том числе во взрывоопасных зонах. Расходомер выполняет измерения при постоянном и/или переменном (реверсивном) направлении потока жидкости в трубопроводе для каждого направления отдельно, с индикацией знака направления потока, архивирование измеренных значений, а также обеспечивает возможность вывода измеренных значений на внешние устройства /8/.

Расходомер обеспечивает возможность измерения в одном трубопроводе одной парой преобразователей электроакустических (ПЭА). ПЭА, входящие в состав расходомера, изготавливаются нескольких типов:

накладные (устанавливаются на наружную стенку трубопровода без его вскрытия) герметичные;

врезные (устанавливаются в монтажные патрубки, наваренные на противолежащие отверстия в стенках трубопровода) герметичные.

Расходомер предназначен для установки на трубопроводы диаметром D_У от 10 до 4200 мм.

Расходомер выполняет измерение и индикацию значений следующих параметров:

средних объемных расходов жидкости (независимо от направления потока жидкости - для каждого направления);

объемов жидкости нарастающим итогом (независимо от направления потока жидкости - для каждого направления);

объема жидкости нарастающим итогом, как суммы результатов измерения в обоих направлениях;

скорости потока жидкости (независимо от направления потока жидкости - для каждого направления);

направления потока жидкости в трубопроводе с указанием знака (знак плюс - соответствует "прямому", а знак минус - "обратному" направлению потока);

текущей даты и времени;

времени работы в штатных/нештатных режимах.

Расходомер обеспечивает хранение в архиве и вывод на устройство индикации:

измеренных значений объемов (часовых, суточных, месячных) для обоих направлений потока. Архивирование производится в энергонезависимой памяти расходомера за последние 728 часов, 64 суток, 64 месяца;

журнала аварийных и нештатных ситуаций с указанием типа события, даты и времени его начала и продолжительности. В журнале фиксируется 128 текущих событий.

Расходомер выполняет вывод измеренных значений среднего объемного расхода жидкости в виде токового выходного сигнала и объема жидкости в виде импульсов с нормированным весом.

Расходомер выполняет:

автоматический контроль аварийных и нештатных ситуаций и архивацию вида аварии или нештатной ситуации, с занесением в журнал аварийных (нештатных) ситуаций;

вывод измерительной, диагностической, справочной и архивной информации посредством коммуникационной связи через последовательный интерфейс RS 232 или RS 485 (в том числе с помощью модема по телефонной сети).

Интерфейс RS 232 обеспечивает непосредственную связь расходомера только с одним персональным компьютером (ПК) при длине линии связи не более 15 м. Интерфейс RS 485 позволяет обеспечивать непосредственную связь в сети из 32 абонентов (одним из которых является ПК) на расстояние до 1200 м. Дальность связи с помощью модема ограничена только длиной телефонной линии.

Коммуникационная связь через интерфейс RS 232 (RS 485) позволяет с помощью ПК получить и задокументировать следующую информацию:

текущие значения измеряемых параметров и результатов автодиагностики расходомера с привязкой к дате и времени съема параметров;

архивные значения измеряемых параметров и результатов автодиагностики, хранящиеся в часовом, суточном или месячном архиве (по выбору) и журнале аварий за весь период накопления или за требуемый период по выбору потребителя;

справочные параметры расходомера.

При переходе в аварийный режим или при возникновении нештатной ситуации расходомер обеспечивает коммутацию цепи сигнализации постоянного тока.

3.2.1 Технические характеристики расходомера

Таблица 3.1

Технические характеристики расходомера

Наименование параметра	Значение параметра
1	2
Диаметр условного прохода, Dy, mm : - накладные ПЭА - врезные ПЭА	любой из диапазона 50-4200 любой из диапазона 10-4200
Измеряемый средний объемный расход жидкости, м3/ч -наименьший, QV MAX -переходный, QV П -наибольший, QV MIN	Определяется в зависимости от Dy (мм) 0,0002 DУ2 0,001 DУ2 0,028 DУ2
Температура измеряемой жидкости,°С	минус 70-плюс 220
Наибольшее давление в трубопроводе, МПа	2,5
Наибольшая длина сигнального кабеля между ВП и ПЭА,м	100
Скорость передачи информации по RS связи, кБод	1.2; 2,4; 4,8; 9,6; 19,2
Средний срок службы, лет	12

Расходомер обеспечивает выдачу измеренных значений объема в виде импульсов с нормированным весом.

В расходомере реализована возможность подключения к двум импульсным выходам. У одного из них выходной каскад выполнен на фототранзисторе с открытыми коллектором (вывод РК2) и эмиттером (вывод РЕ2) транзисторной оптопары, обеспечивающей гальваническую развязку выхода от основной схемы. При этом, наибольшие допустимые значения напряжения 15 В, а тока нагрузки 10 мА. Этот выход используется для подключения к тепловычислителю СПТ 960 фирмы "Логика". Другой импульсный выход (маркировка выводов POOUT, POGND) реализован на гальванически развязанном эмиттерном повторителе. При этом амплитуда выходного импульса составляет не менее 4 В на нагрузке не менее 1 кОм. Работают оба выхода одновременно.

Предусмотрена возможность установки с клавиатуры расходомера двух режимов работы:

с периодом следования импульсов 10 мс (при скважности 2);

с периодом следования импульсов 200 мс (при скважности 2).

Период следования импульсов 200 мс устанавливается при работе расходомера с тепловычислителем СПТ960.

Номинальная статическая характеристика расходомера по импульсному выходу

= NК,

где V - объем воды, измеренный за интервал времени Т, м³;- количество импульсов, прошедших за интервал времени Т;

К - вес импульса, м³/имп.

Вес импульса К рассчитывается в расходомере автоматически после определения Dy трубопровода по формуле:

K=Q_MAX Tи/3600,

где Ти - установленный период следования импульсов, с.

Рассчитанное значение округляется в расходомере и выводится на дисплей. Это значение используется в качестве веса импульса К. При работе по импульсному выходу обязательно убедиться в соответствии веса импульса, установленного на устройстве регистрации и подключенного к импульсному выходу расходомера, весу импульса на импульсном выходе расходомера, считанному с индикатора.

Выход активен в диапазоне расходов

Q_VMIN <Q_V <Q_VMAX,

где Q_V - значение среднего объемного расхода жидкости, м³/ч;

Q_VMAX - наибольший измеряемый средний объемный расход жидкости для данного типоразмера расходомера, м³/ч;_VMIN - минимальное значение измеряемого расхода, устанавливаемое пользователем, м³/ч.

Расходомер обеспечивает выдачу измеренных значений расхода в виде сигнала постоянного тока с пределами :

от 0 до 5 мА при нагрузке не более 1,5 кОм;

от 0 до 20 мА при нагрузке не более 250 Ом;

от 4 до 20 мА при нагрузке не более 250 Ом.

Расходомер обеспечивает коммутацию внешней цепи (релейная цепь, выводы которой обозначены на схеме подключения и кросс-плате РК1 и РЕ1) фототранзистором n-р-n типа с открытыми коллектором (вывод РК1) и эмиттером (вывод РЕ1) транзисторной оптопары, обеспечивающей гальваническую развязку прибора. Коммутируемые напряжение и ток при этом не должны превышать 15 В и 10 мА соответственно.

Расходомер обеспечивает возможность просмотра данных при контроле их значений, вводе или изменении (при вводе расходомера в эксплуатацию, эксплуатации, поверке и т.д.) с помощью системы функциональных меню, доступ к которым обеспечивается клавиатурой расходомера.

Относительные погрешности при выводе измеренных значений на индикатор, при регистрации в архиве, при выдаче данных по RS связи, импульсному и токовому выходам не превышают значений, указанных в таблице 3.2.

Таблица 3.2

Относительные погрешности при выводе измеренных значений

Измеряемый параметр	Относительная погрешность измерения, %
Средний объемный расход, объем, жидкости в диапазоне расходов: QV MIN - QV П QV П - QV MAX	± 4,0 ±1,5

3.2.2 Устройство и работа расходомера и его составных частей

.2.2.1. Принцип работы расходомера. По принципу работы расходомер относится к время-импульсным ультразвуковым расходомерам, работа которых основана на измерении разности времен прохождения коротких импульсов (зондирующих) ультразвуковых колебаний (УЗК) по направлению скорости потока жидкости в трубопроводе и против него. Возбуждение зондирующих импульсов производится первичными электроакустическими преобразователями, устанавливаемыми на трубопровод с измеряемым расходом.

По способу организации зондирования потока жидкости ультразвуковыми импульсами расходомер относится к автоциркуляционным расходомерам с попеременной коммутацией.

Особенностью этих ультразвуковых расходомеров (УЗР) является попеременное функционирование двух синхроколец. Синхрокольца образованы приемно-усилительным трактом, охваченным запаздывающей обратной связью через электроакустический тракт ПЭА1 - стенка трубопровода - жидкость - стенка трубопровода - ПЭА2.

Первичный преобразователь расхода включает в себя отрезок трубы и закрепленные на нем два электроакустических преобразователя - ПЭА1 и ПЭА2, обеспечивающие излучение ультразвуковых сигналов (УЗС) в жидкость под углом к оси трубопровода. При движении жидкости наблюдается снос ультразвуковой волны, который приводит к изменению полного времени распространения УЗС между ПЭА: по потоку жидкости (от ПЭА1 к ПЭА2) время распространения уменьшается, а против потока (от ПЭА2 к ПЭА1) - возрастает.

Вторичный измерительный преобразователь посредством попеременного излучения в движущуюся жидкость УЗС и их приема осуществляет измерение разности времен распространения УЗС по потоку и против потока жидкости dT. Данная величина dT, пропорциональная скорости, а следовательно, и расходу жидкости, определяется выражением

dT = T1-T2=2nvDtg/c²+t _3,

где

T1,T2= ,

T1 - полное время распространения УЗС по потоку жидкости;- полное время распространения УЗС против потока жидкости;

n - коэффициент установки ПЭА: для установки ПЭА с отражением УЗС от стенки трубопровода n=2; для установки без отражения n=1;- внутренний диаметр трубопровода;

,с - угол и скорость распространения УЗС в неподвижной жидкости;

v - скорость жидкости, усредненная вдоль ультразвукового луча;

t_СТ, t_ЗВ - дополнительная задержка УЗС в стенках трубопровода, звукопроводах ПЭА и электронном тракте при распространении УЗС по потоку и против потока жидкости.

.2.2.2 Описание функциональной схемы расходомера. Функциональная схема расходомера приведена на рисунке 3.2.

Работа расходомера рассматривается на примере расходомера с накладными ПЭА. Для врезных ПЭА работа расходомера аналогична, за исключением способа ввода ультразвуковых сигналов в жидкость.

На схеме показаны следующие функциональные узлы расходомера:

первичный преобразователь расхода (ПП);

вторичный измерительный преобразователь (ВП) со встроенным стабилизированным вторичным источником питания (ВИП), выполняющий функции контроллера расходомера с помощью схемы микропроцессорного управления (СМУ), функции измерительного промежуточного преобразователя с помощью блока приема и генерации сигнала (БПГС), функции формирователя электрических выходных сигналов для информационной связи со вторичными регистрирующими приборами, средствами измерений и автоматизации, и функции устройства обработки, хранения и отображения данных;

индикатор жидкокристаллический;

пленочная клавиатура;

звуковой излучатель.

Рисунок 3.2 - Функциональная схема расходомера

БПГС работает следующим образом. После подачи запускающего импульса START от СМУ производится сброс триггеров ТТ2 (формирователя периода наполнения) и ТТЗ (триггера ошибки), а также происходит принудительный запуск формирователя временного окна (ФВО), чем обеспечивается формирование первого зондирующего импульса с помощью формирователя мощных импульсов (ФМИ). При длительном отсутствии импульсов на выходе триггера ТТ1 схема принудительного запуска (СПЗ) вырабатывает запускающий импульс, который устанавливает триггер ТТ1 в "1" состояние. Одновременно с этим происходит установка триггера ТТЗ в "1" состояние, свидетельствующее о неисправности акустического тракта (сигнал FAIL). При исправности акустического тракта запускается ФВО, который через 10...12 мкс выходным сигналом YN удерживает триггер ТТ1 в "0" состоянии. При этом запрещается установка триггера ТТ1 в "1" состояние от формирователя импульсов (ФИ), что необходимо для защиты от помех. Одновременно сигнал YN с выхода ФВО поступает на ФМИ. ФМИ формирует зондирующий импульс, который через коммутатор направления излучения (КМ) подается на один из ПЭА. Номер подключаемого к выходу КМ ПЭА (ПЭА1 или ПЭА2) зависит от значения потенциала управления TEXT, подаваемого на КМ с регистра управления РУ (предположим, что потенциал управления коммутатором Т=0, тогда зондирующий импульс поступит на ПЭА1 и УЗС будет излучен по потоку жидкости).

После прохождения через электроакустический тракт на выходе ПЭА2 (или ПЭА1 - при излучении против потока жидкости) сигнал имеет форму радиоимпульса. После усиления усилителем (У), ФИ преобразует его в пачку импульсов, первым из которых триггер ТТ1 устанавливается в "1" состояние. Таким образом происходит регенерация импульса YN в каждом такте излучения сигнала по или против потока жидкости.

Под действием импульсов YN происходит заполнение счетчика СТ1 и в момент его переполнения триггер ТТ2 устанавливается в "1" состояние и заканчивается цикл измерения по данному направлению длительностью, например, Tn₁ -по направлению потока (тогда Тn₂ - против направления потока). При этом формируется сигнал прерывания INTO.

Значения Tn₁ (Тn₂) пропорциональны; времени распространения сигнала в электроакустическом тракте T1 (T2)

Tn₁=NT1,

где N - коэффициент накопления (определяемый счетчиком СТ1).

Длительности интервалов Tn₁ и Тn₂ измеряются путем заполнения их импульсами с генератора образцовой частоты (ГОЧ). Код, пропорциональный длительности Tn₁ (Тn₂), формируется в счетчиках СТ0 и СТ2. Полученные коды считываются СМУ по сигналу прерывания INTO, после чего СМУ формируется сигнал начальной установки RESCNT для установки СТ0 и СТ2 в начальное состояние.

Для автоматического перезапуска СМУ (после сбоев, зависаний, пропадания питающего напряжения и т.д.) предусмотрена схема охранного таймера (ОТ).

СМУ осуществляет обработку результатов измерения, и вычисление (по значениям интервалов времени по обоим направлениям Tn₁ и Тn₂) измеряемого расхода жидкости Q

Q = Sпп(Tn₁-Тn₂), м³/час

где Sпп - коэффициент преобразования расходомера, м³/(мксч).

При градуировке расходомера на поверочной установке методом пропуска жидкости через ПП, этот коэффициент определяется по методике поверки сравнением результатов измерения расхода образцовым устройством и градуируемым расходомером.

При косвенной градуировке методом измерения параметров ПП и Потока жидкости в трубопроводе, в зависимости от типа ПЭА (накладной или врезной), этот коэффициент вычисляется программой расходомера.

Параметры первичного преобразователя расхода и другие градуировочные коэффициенты вводятся в расходомер с клавиатуры и запоминаются в энергонезависимом запоминающем устройстве. Ввод указанных коэффициентов осуществляется оператором в соответствующих режимах (меню) в процессе градуировки расходомера.