ФЭА / АИТ / Курсовая работа по ТСА «Rosemount 8800D»
(автор - student, добавлено - 14-05-2014, 22:51)
СКАЧАТЬ:
ВВЕДЕНИЕ
Развитие науки, управление технологическими процессами немыслимы без получения количественной информации о тех или иных свойствах физических объектов. Измерение представляет собой информационный процесс, результатом которого является получение измерительной информации, т.е. количественной информации об измеряемых величинах. Все средства измерений определяются как технические средства, используемые при измерениях и имеющие нормированные метрологические характеристики. Знание основ теории измерения, устройства и основных правил эксплуатации контрольно-измерительных приборов является в настоящее время непременным условием правильного ведения технологических процессов бурения, добычи, транспорта и переработки нефти и газа. Измерение количества и расхода вещества необходимо для контроля и управления технологическими процессами нефтегазодобывающих предприятий. При измерении расхода и количества вещества приходится иметь дело с движущейся жидкостью. Жидкостями в гидравлике считают физические тела находящиеся как в жидком, так и в газообразном состоянии и легко изменяющие свою форму под действием сил самой незначительной величины. Основными характеристиками движущейся жидкости являются: гидродинамическое давление p, скорость движения движущихся частиц W и плотность жидкости p. Расход – это масса или объем вещества, проходящего через данное сечение канала средства измерения расхода в единицу времени. Расход бывает объемной либо массовой.
Расходом вещества в данный момент называется отношение приращения количества вещества (dV или dg), протекающего в данный момент времени dt при условии, что dt стремится к нулю, следовательно, объемный расход Q=dV/dt , а весовой расход Qg=dG/dt . Вихревые расходомеры применяются для измерения расхода жидкостей, газов и пара. Они распространены очень широко и используются во многих отраслях: от сферы жилищно-коммунального хозяйства для тепло- и водоучета до химической, нефтеперерабатывающей, пищевой промышленности в сложных технологических процессах. При определенных условиях движения потока среды часть кинетической энергии потока может преобразовываться в пульсации (завихрения). Частота следования этих пульсаций пропорциональна скорости потока. Общие характеристики для большей части вихревых расходомеров:
Существует несколько основных типов вихревых расходомеров, отличающихся по способу образования вихрей. Наиболее распространен тип, у которого поперек потока измеряемой среды установлено плохообтекаемое тело (тело обтекания, вихревое тело, вихреобразователь), за которым поочередно с разных сторон образуются вихри.
В 1878 году Струхаль (Strouhal) экспериментально доказал существование зависимости между частотой пульсаций потока и скоростью течения среды. Долгое время изучением явлений пульсаций потока и вихреобразования занимались только в целях их предотвращения, т. к. эти явления (особенно при высокой температуре измеряемой среды) могут спровоцировать возникновение гидроударов и термоударов и, в конечном итоге, привести к повреждению оборудования. Применение пульсаций вихрей для измерения расхода началось только в 50-х годах XX века. К 60 годам были разработаны термический и термоанемометрический методы детектирования вихрей для измерения расхода в трубопроводах. Так появились первые вихревые расходомеры. В период 70-80-х годов развитие вихревой расходометрии происходило весьма быстро, было разработано множество методов возмущения потока (вихреобразования) и детектирования вихрей, на рынке появилось большое количество приборов.
Принцип действия
При обтекании потоком неподвижного препятствия (тела обтекания) образуются вихри. Образование вихрей и их отрыв от тела обтекания происходит поочередно с разных его сторон.
Рис.1. Принцип работы вихревых расходомеров
Развитие вихря с одной стороны препятствует его образованию с противоположной стороны. За телом обтекания образуется двойная дорожка из вихрей, называемая «дорожкой Кармана». Частота вихреобразования (частота отрыва вихрей) пропорциональна скорости потока, а значит и расходу. Зависимость между частотой вихреобразования и скоростью (расходом) определяется критерием Струхаля: St = f*d/W, где f – частота вихреобразования, d – характерный размер тела обтекания, W – средняя скорость потока. Частота вихреобразования определяется формулой: f=St*W/d Для характеристики вихревых расходомеров вместо числа Струхаля используется К-фактор. Производители под К-фактором подразумевают либо: Число вихрей, приходящихся на единицу объема среды: Кф = n/V Объем среды, приходящийся на один вихрь: Кф = V/n где n – число вихрей за время t; V – объем среды за время t. Основное уравнение вихревого расходомера: f = Kф*W/d К-фактор условно постоянен в определенном диапазоне чисел Re и не зависит от плотности, вязкости, скорости потока и др. свойств среды. Диапазон чисел Рейнольдса, при которых К-фактор постоянен, называется рабочей областью (областью измерений) вихревых расходомеров.
Рис.2. К-фактор
Конструкция В общем виде, вихревой расходомер состоит из двух частей: первичного преобразователя и вторичного преобразователя (электронного блока или конвертера).
Рис.3. Общие элементы конструкции вихревых расходомеров
Первичный преобразователь включает в себя вихреобразователь (тело обтекания) и устройство детектирования вихрей (сенсор). Электронный блок состоит из фильтра, усилителя, АЦП и схемы выходных сигналов. С развитием микропроцессорной электроники появились интеллектуальные вихревые расходомеры, в которых сигнал с АЦП проходит обработку. Помимо улучшения точности измерения и сведения к минимуму влияний факторов температуры, давления, нелинейности К-фактора, неравномерности потока и др., появилась возможность использования цифровой коммуникации и добавления дополнительной функциональности (например, функции вычислителя-счетчика) в расходомере. Вихреобразователь или вихревое тело – это один из главных компонентов первичного преобразователя, во многом определяющий метрологические характеристики расходомера (линейность и повторяемость, пределы измерения) и потери давления. В целом, при выборе оптимального вихреобразователя, производители расходомеров руководствуются следующими требованиями:
Существует достаточно большое число разновидностей вихреобразователей, которые можно разделить на две группы: состоящие из одной части и состоящие из двух и более частей. Наиболее распространенными являются вихревые тела, состоящие из одной части, такие, как цилиндрическое, прямоугольное, треугольное и трапециевидное тела.
Рис.4. Простые тела обтекания. Некоторые производители используют более сложные многосоставные тела обтекания.
Рис.5. Сложные составные тела обтекания.
Методы детектирования вихрей
Методов детектирования вихрей достаточно много, однако наибольшее распространение получили следующие:
Основные характеристики вихревых расходомеров с различными методами съема сигнала представлены в таблицах:
Вихревые расходомеры изгибных напряжений Для детектирования вихрей за телом обтекания (или внутри него) устанавливается подвижное тело (крыло или трубка), на которое поочередно с разных сторон воздействуют вихри потока. Под действием давления вихрей выступающее тело изгибается и передает воздействие на чувствительный элемент. В качестве чувствительного элемента преимущественно используются пьезокерамические элементы, преобразующие механическое воздействие в электрический сигнал, который в дальнейшем усиливается и фильтруется. Сенсоры на основе пьезоэлементов отличаются быстродействием, хорошим уровнем сигнала, высокой технологичностью, низкой стоимостью изготовления, отсутствием контакта с измеряемой средой и высокой повторяемостью. Вихревые расходомеры изгибных напряжений отличаются широким температурным диапазоном, универсальностью, высокой стабильностью и надежностью, что сделало их наиболее распространенным типом вихревых расходомеров. Тем не менее, такие приборы весьма чувствительны к вибрациям трубопровода, что является их главным недостатком последние несколько лет. Несмотря на разработки некоторых производителей в направлении улучшения структуры сенсора и последующей интеллектуальной обработки сигнала, в условиях сильной вибрации расходомер может не работать.
Емкостные вихревые расходомеры Пульсации давления вихрей воздействуют на емкостные ячейки сенсора, деформируя их поверхность, и, соответственно, изменяя емкость ячеек. Дифференциальная схема обработки сигнала позволяет существенно снизить влияние внешних источников вибрации за счет взаимоподавления шумов, приходящих с разных емкостей. Несмотря на невозможность изготовления абсолютно идентичных конденсационных ячеек, способных полностью исключить влияние вибрации, виброустойчивость вихревых расходомеров с емкостным способом съема сигнала достаточно высокая (порядка 1g). Другим преимуществом таких расходомеров является возможность работы на высоких температурах до 400ºС. С ростом температуры изменяются диэлектрическая проницаемость и геометрия электродов, а также растут токи утечки за счет температурной эмиссии электронов. Однако эксперименты показывают, что описанные эффекты практически не влияют на работу приборов.
Термальные вихревые расходомеры Под действием вихря изменяется температура нагревательного элемента, а, следовательно, и его сопротивление. Такие расходомеры отличаются высокой чувствительностью, и высокой устойчивостью к вибрациям. При этом область их применения обычно ограничивается некоррозионными газами и чистыми жидкостями.
Вихреакустические расходомеры Принцип действия вихреакустических расходомеров показан на рисунке:
Рис.6. Конструкция вихреакустического расходомера.
Как видно из рисунка, для детектирования вихрей используются пары излучатель-приемник (одна или две), установленные в стенки корпуса прибора. При этом излучатели постоянно излучают высокочастотные акустические сигналы, пересекающиеся в центре проточной части. Каждый из чередующихся вихрей отличается направлением вращения от предыдущего. При пересечении с вихрем, происходит модуляция ультразвуковой волны по фазе, которая фиксируется приемниками сигнала, преобразовывается в электрический сигнал и обрабатывается. Приборы отличаются высокой чувствительностью, что позволяет их использовать для измерений на низких расходах. При этом зависимость точности измерений от температуры среды (особенно для газов) и влияние механических и газовых включений на процесс измерений, ограничили область использования вихреакустических расходомеров, сузив ее до чистых жидкостей и небольшого числа разновидностей газов.
Вихревые электромагнитные Особенности конструкции вихревых расходомеров с электромагнитным съемом сигнала представлены на рисунке:
Рис.7. Конструкция вихревого электромагнитного расходомера
При движении электропроводной жидкости (проводника) в поле постоянного магнита наводится ЭДС. Вихри создают возмущение или пульсации ЭДС, которые фиксируются электродом, установленным за телом обтекания. Частота пульсаций ЭДС соответствует частоте вихреобразования. Такие расходомеры отличаются простой конструкции, возможностью автономного батарейного питания, низкой стоимостью, возможностью проведения имитационной поверки. При этом приборы склонны к образованию отложений в проточной части вблизи магнита, имеют нестабильные метрологические характеристики и могут работать только в электропроводных средах.
Интеллектуальный вихревой расходомер Rosemount 8800D
Интеллектуальный вихревой расходомер Rosemount 8800D принадлежит к известному семейству приборов Rosemount SMART FAMILY.
Рис.8. Вихревой расходомер Rosemount 8800D Достоинства:
Для 8800DR дополнительно:
Рис.9. Датчик расходомера Опция MTA (встроенный датчик температуры) позволяет измерять массовый расход насыщенного пара с компенсацией по температуре. Измеряемые среды: газ, пар, жидкость. Пределы допускаемой основной относительной погрешности измерений расхода:
Нестабильность ±0,1% от расхода в течение 12 меcяцев. Выходные сигналы:
Диаметр условного прохода трубопровода Dу 15, 25, 40, 50, 80, 100, 150, 200,250, 300 мм. Внесен в Госреестр средств измерений под №14663-00.
Комплектация модели 8800D
Не секрет, что одно из ограничений вихревых расходомеров – повышенная чувствительность к возмущающим воздействиям. Очевидно, что заводские условия могут весьма отличаться от тех, в которых реально калибруется вихревой расходомер, в силу чего некоторые расходомеры могут давать сбои в измерениях. Поэтому в вихревых расходомерах серии Rosemount 8800 постарались максимально скомпенсировать подобные эффекты, возникающие в процессе эксплуатации. При разработке данных расходомеров были проведены тесты на зависимость показаний прибора от скачков температуры технологической жидкости, внутреннего диаметра трубопровода и завихрений выше и ниже по течению. В результате этих испытаний были рассчитаны компенсационные коэффициенты, которые прошиваются в память электроники расходомера 8800 и позволяют соответствующим образом корректировать показания на выходе прибора. Модель Rosemount 8800D имеет возможность встраивания в тело обтекания датчика температуры, благодаря этому можно производить вычисления массового расхода насыщенного пара. Датчик температуры можно извлекать из тела обтекания без остановки технологического процесса. Также расходомеры этой серии имеют ряд различных исполнений по материалам проточной части, что позволяет использовать их для измерения агрессивных сред.
Технические характеристики
Следующие характеристики относятся к датчикам Rosemount моделей 8800D, 8800DR и 8800DD. Применение: жидкость, газ или пар. Вещество должно быть однородным и однофазным. Доступные диаметры Бесфланцевый корпус: Ду 15, 25, 40, 50, 80, 100, 150 и 200 мм (0.5, 1, 1.5, 2, 3, 4, 6 и 8 дюймов); Фланцевый и корпус двойного исполнения: Ду 15, 25, 40, 50, 80, 100, 150, 200, 250 и 300 мм (0.5, 1, 1.5, 2, 3, 4, 6 , 8, 10 и 12 дюймов); REDUCER (с коническими переходами): Ду 25, 40, 50, 80, 100, 150, 200, 250 и 300 мм (1, 1.5, 2, 3, 4, 6, 8, 10 и 12 дюймов). Сортамент: трубопровод сортамента Sch 10, 40, 80 и 160 (ANSI). Минимальные требования к числу Рейнольдса:
Диапазон рабочих температур:
Для использования при температуре свыше 232°C требуется расширенный сенсор. Выходные сигналы: 1. Цифровой сигнал HART 4–20 мА. 2. Дополнительный масштабированный частотный выходной сигнал от 0 до 10 000 Гц; транзисторный переключатель с регулируемым масштабированием и настройкой длительности импульсов через протокол HART до 30 В пост. тока, 120 мА максимум. 3. Цифровой сигнал Foundation fieldbus. Цифровой сигнал в кодировке Манчестер, соответствующий стандартам IEC 1158-2 и ISA 50.02. Ограничения по температуре окружающей среды:
Пределы изменения давления:
Электропитание: Для аналогового датчика HART требуется внешний источник питания. Расходомер может работать при напряжении питания на клеммах датчика от 10,8 до 42 В постоянного тока (для коммутации по протоколу HART при минимальном сопротивлении нагрузки 250 Ом, требуется источник питания 16,8 В пост. тока). Для датчика FOUNDATION Fieldbus требуется внешний источник питания. Расходомер может работать при напряжении от 9 до 32,0 В пост. тока, 17,8 мА номинального тока, максимум 20,0 мА. Потребление энергии - максимум 1 Вт. ЖК-индикатор может отображать следующие переменные: · Первичная переменная · Расход по скорости · Объемный расход · Массовый расход · Процент диапазона · Аналоговый выходной сигнал (если применяется) · Сумматор (только код выхода D или P) · Частота вихреобразования · Частота импульсного выходного сигнала (если применяется) · Температура электроники (только код выхода D или P) · Температура процесса (только вариант MTA) · Вычисленная плотность среды (только вариант MTA) Если выбрано несколько компонентов, экран дисплея прокручивается для отображения всех переменных. Класс защиты корпуса FM тип 4Х; CSA Тип 4X; IP66.
Расчётная часть
При расчете действительных значений измеряемых величин задача заключается в определении измеряемой величины x не по выходному сигналу y датчика, а по коду АЦП КАЦП, связанному с у соотношением: КАЦП= КМ*y , (1) где КМ – масштабный коэффициент, численное значение которого определяется коэффициентом усиления нормирующего преобразователя НП и разрядностью АЦП. Величина КМ легко может быть определена по формуле:
где - максимальное значение кода АЦП, определяемое его разрядностью:
где N число двоичных разрядов АЦП; ymax , ymin = соответственно максимальное и минимальное значение выходного сигнала датчика. При ymin = 0 формула (2) приобретет вид:
Расчет значений расходов осуществляется по следующим формулам:
и
где - текущее значение кода АЦП, поступающего в УВМ по каналу измерения расхода; - максимальное значение кода АЦП, определяемое его разрядностью; - верхний предел измерения датчика расхода; - поправочный коэффициент для паровых потоков, учитывающих отклонение условий измерения от нормальных (поправка на изменение плотности технологического потока в зависимости от давления и температуры); - плотность технологического потока при рабочих условиях; - плотность потока при расчетных условиях. Для газового потока вычисляется по формуле:
,
где T0, P0 – расчетные температуры (К) и давление (в абсолютных единицах); P и Q - текущие давление (избыточное) и температура, 0С. Для насыщенного пара в диапазоне давлений 2.5 – 8.5 кгс/см2 плотность r зависит только от давления:
Задав номинальное значение P, можно по этой формуле рассчитать r0, а затем в процессе измерений рассчитать фактическую плотность, соответствующую текущему значению P, и вносить поправку на изменение условий.
Для перегретого пара при давлении 5-18 кгс/см2 и температуре 170-280 0С плотность пара является функцией давления и температуры:
Формула (5) используется для расчета расходов жидкостей, а формула (6) – для расчета расходов паровых и газовых потоков. Пусть в УВМ по каналу измерения расхода перегретого пара на очередном такте опроса поступил сигнал (код АЦП), равный 7680 ( =7680). В качестве измерительного преобразователя расхода использован вихревой расходомер Rosemount 8800 D, рссчитанный на предельный номинальный перепад давления 20 кПа и расход Fmax=1200 м3/ч. Поскольку измеряется расход перегретого пара, то для расчета поправочного коэффициента Kp в УВМ необходимо также ввести давление и температуру пара перед диафрагмой. По каналу измерения давления на данном такте опроса в УВМ поступил сигнал (код АЦП), равный 7680 ( =7680). По каналу измерения температуры на данном такте опроса в УВМ поступил сигнал (код АЦП), равный 8160 ( =8160). Аналого-цифровые преобразователи по каналам расхода, давления и температуры – 16 разрядные ( =65536) Требуется определить действительное значение расхода. Для расчета расхода перегретого пара используем формулу (5). Численные значения входящих в нее величин: =7680; =65536; Fmax=360 м3/ч; . = 0.81 кг/м3 (величина, определяемая по таблицам при расчетных давлениях и температуре); - величина, определяемая по формуле (8) при давлении и температуре, соответствующим реальным условиям измерения. Согласно формуле (8), является функцией давления и температуры. Следовательно, вначале по заданным кодам =7680 и =8160 определяем давление и температуру в объекте.
Давление. Для расчета величин давления по коду АЦП используем формулу
кгс/см2 Температура пара измеряется хромель-алюмелевой термопарой. Таблица 1
Согласно табл. 1, градуировочная характеристика ХА аппроксимируется следующим полиномом:
где х=Q, 0С – температура в объекте; y – термоЭДС термопары.
Учитывая (10) и (11), получим:
Численные значения входящих в формулу (12) величин: =65536; y1max=12 В; . где ymax – максимальное значение выходного сигнала термопары (ТЭДС) при температуре 400 0С. По градуировочным таблицам имеем ymax = 16.39.
Следовательно,
Подставляя значения ,и , ymax в (12), получим:
Подставляя найденные значения P и Q в (9), найдем плотность пара при условиях измерения:
Зная r0 и rg , определяем поправочный коэффициент
Используя формулу (6), определяем действительное значение расхода: .
ЗАКЛЮЧЕНИЕ В своей курсовой работе я ознакомился с вихревым расходомером Rosemount серии 8800D, а также с некоторыми составными частями, входящими в состав прибора. Прибор предназначен для измерения расхода жидких сред, газов, паров при температуре контролируемой среды от минус 40 до плюс 232 °С в стандартном исполнении и от минус 200 до плюс 427 °С в высокотемпературном исполнении. Во второй части данной курсовой работы был произведен расчет действительных значений измеряемых величин в физических единицах по кодам АЦП.
Список использованной литературы:
1. Александров К.К., Кузьмина Е. Г. Электрические чертежи и схемы. — М.: Энергоатомиздат, 1990. — 288c. 3. Техника чтения схем автоматического управления и технологического контроля /Под ред. А.С.Клюева. — М.: Энергоатомиздат, 1991. — 376с. 4. ГОСТ 2.702-84 Правила выполнения электрических схем. 5. ГОСТ 2.708-81 Правила выполнения электрических схем цифровой вычислительной техники. 6. Калабеков Б.А. Цифровые устройства и микропроцесссорные устройства. – М.: Горячая линия – Телеком, 2002. 7. Управляющие Вычислительные комплексы / Под. ред. Н.Л. Прохорова – М.: финансы и статистика, 2003. 8. «Лист технических данных» 00813-0107-4004, Версия ВА, март 2006. 9. «Технологические измерения и приборы» Р. Я. Исакович, издательство «Недра», Москва 2003. Похожие статьи:
|
|