Аналізатор кількісного вмісту скрапленого нафтового газу та дослідження його статичних метрологічних характеристик

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

На сьогодні знаходить широке використання скраплений нафтовий газ як паливо в двигунах автомобільного транспорту, так і установках муніципальних, промислових і сільськогосподарських об'єктів. Скраплений нафтовий газ (СНГ) - це суміш пропану (С3Н8), бутану (С4Н10) і домішок (приблизно 1%) - етилен, пропілен, бутилен, амілен, гексилен, гептилен тощо [1, 3].

Аналіз сучасних методів та засобів дослідження кількісного вмісту СНГ [3 - 7] показує, що їхніми основними недоліками є висока вартість, складність процесу вимірювання та низька точність, що пов'язана з визначенням співвідношення лише суміші пропан-бутан, тоді як наявність домішок не враховується.

Таким чином, метою роботи є розробка аналізатора кількісного вмісту СНГ та дослідження його статичних метрологічних характеристик.

На основі методу визначення кількісного вмісту компонентів СНГ [3] запропоновано аналізатор кількісного вмісту СНГ, який дозволяє визначати не тільки вміст пропану й бутану, але й домішок.

Функцію перетворення такого аналізатора визначається за формулою:

(1)

де - вихідна напруга, В; - опорна напруга, В; - інтегральна чутливість фотоприймача, А•м2/Вт; - площа фотоприймача, м2; - опір підсилювача, Ом; - потік випромінювання від джерела світла, Вт; - час накопичення заряду, с; - товщина шару СНГ, м; - ширина світлової смуги, м; - кут падіння променя, град.; - універсальна газова стала, Дж/моль•К; - густина пропану, кг/м3; - густина бутану, кг/м3; - густина домішок, кг/м3; - кількісний вміст пропану; - кількісний вміст бутану; - кількісний вміст домішок; - абсолютний тиск СНГ при температурі , Па; - температура, К; - коефіцієнт підсилення; - коефіцієнт перетворення.

Для визначення кількісного вмісту СНГ розроблено аналізатор [8], який містить джерело випромінювання, оптичну систему, яка формує паралельний світловий потік у вигляді світлової смужки, кювету, яка містить вертикальну та похилу стінки, поршень, що рухається за допомогою штока, мірник з вивідним патрубком, який містить вентиль та клапан, балон, який за допомогою вентиля подає у кювету СНГ, сенсори температури, елемент нагрівання, підсилювачі, підсилювач елемента нагрівання, систему фотоприймачів, яка складається з лівого, правого та опорного фотоприймачів, блок порівняння, мікропроцесорний пристрій, індикаторне табло, комп'ютер.

На основі структурної схеми розроблено вимірювальний перетворювач, зовнішній вигляд якого наведено на рис. 1.

Рисунок 1 - Зовнішній вигляд вимірювального перетворювача: 1 - вторинний перетворювач; 2 - вентиль; 3 - клапан; 4 - вивідний патрубок; 5 - мірник; 6 - кювета; 7 - елемент нагрівання; 8 - охолоджувач; 9 - сенсорний блок; 10 - корпус

Послідовно оптично з'єднані джерело випромінювання та оптична система, що знаходяться в одному корпусі 10, формують направлений світловий потік, який надходить в кювету 6, куди подається СНГ, кількість якого контролюється шкалою на мірнику 5. СНГ в кюветі 6 нагрівається елементом нагрівання 7, причому зайва теплота відводиться за допомогою охолоджувача 8, та контролюється за допомогою сенсорів температури та тиску, які знаходяться в сенсорному блоці 9. Після проходження світлового потоку через стінки кювети 6, товщу СНГ та багаторазового заломлення він потрапляє на систему фотоприймачів, напруга з яких надходить на вторинний перетворювач 1, мікропроцесорний пристрій якого приймає сигнали від сенсорів температури та тиску і керує роботою елемента нагрівання 7. Після закінчення вимірювання відпрацьований СНГ виводиться за допомогою вентиля 2 через вивідний патрубок 4. Клапан 3 в разі потреби дозволяє стравлювати зайвий тиск.

На точність вимірювального перетворення кількісного вмісту впливають різні фактори. Сумарна похибка вимірювання - це функція від багатьох змінних й для врахування всіх похибок необхідно проаналізувати механізм і причини їх виникнення [9]. Основні похибки, що виникають під час вимірювального перетворення, за місцем їх виникнення (рис. 2) можна розділити на такі: похибка сенсора температури , яка складає 0,1%; похибка сенсора тиску , яка складає 0,25%; похибка елемента нагрівання , яка складає 1,5%; похибка перетворення приймача випромінювання , яка складає 0,1% [10]; похибка перетворення струму в напругу , яка складає 0,15%; похибки аналого-цифрового перетворення , яка складає 0,1% [11].

Рисунок 2 - Схема засобу та інструментальних похибок вимірювального контролю кількісного вмісту СНГ

Отже, загальна інструментальна похибка буде мати вигляд:

. (2)

Підставивши значення похибок отримаємо інструментальну похибку, яка не перевищує 1,54 %.

Методичні похибки виникають через недосконалість методу вимірювання та наближень, що допускаються при проектуванні засобу контролю. До методичних похибок відносяться: похибка математичної моделі вимірювального перетворювача; похибка , що виникає через виключення із розрахунків показника розсіювання випромінювання; похибка через відхилення пучка променів світла.

Таким чином, загальну методичну похибку можна записати у вигляді:

. (3)

Підставивши відповідні значення, отримаємо методичну похибку, яка не перевищує 0,3 %.

Загальна похибка вимірювання дорівнює сумі інструментальної та методичної складових. Таким чином загальна похибка вимірювання не перевищує 1,84 %.

Для дослідження статичних метрологічних характеристик аналізатора кількісного вмісту СНГ скористаємося розкладом функції перетворення в ряд Тейлора [12].

Функцію перетворення можна подати у вигляді:

, (4)

де ? вихідна величина аналізатора; , , ? вхідні величини аналізатора; , , , - впливні величини.

Розкладемо функцію перетворення в ряд Тейлора і отримаємо:

. (5)

Проаналізувавши розклад в ряд Тейлора, основні складові ряду та впливні величини наведемо нижче:

– чутливість аналізатора кількісного вмісту СНГ при зміні кількісного вмісту пропану

. (6)

– чутливість аналізатора кількісного вмісту СНГ при зміні кількісного вмісту бутану

. (7)

– чутливість аналізатора кількісного вмісту СНГ при зміні кількісного вмісту домішок

. (8)

На рис. 3 - 5 наведено результати моделювання чутливостей аналізатора кількісного вмісту СНГ при зміні кількісних вмістів пропану , бутану , домішок та тиску , відповідно.

Рисунок 3 - Чутливість аналізатора кількісного вмісту СНГ при зміні кількісного вмісту пропану та тиску

Рисунок 4 - Чутливість аналізатора кількісного вмісту СНГ при зміні кількісного вмісту бутану та тиску

Рисунок 5 - Чутливість аналізатора кількісного вмісту СНГ при зміні кількісного вмісту домішок та тиску

На чутливість аналізатора кількісного вмісту СНГ при зміні кількісного вмісту пропану та тиску , як видно з рис. 3, найбільше впливає зміна тиску. Суттєвий вплив також здійснює зміна кількісного вмісту пропану. Номінальна функція перетворення є не лінійною. Тобто напруга U зменшується при збільшенні тиску по всьому діапазоні, а саме від 0,16 до 1,6 МПа, та при збільшенні кількісного вмісту пропану від 0,01 до 1.

На чутливість аналізатора кількісного вмісту СНГ при зміні кількісного вмісту бутану та тиску , як видно з рис. 4, найбільше впливає зміна тиску. Суттєвий вплив також здійснює зміна кількісного вмісту бутану. Номінальна функція перетворення є не лінійною. Тобто напруга U зменшується при збільшенні тиску по всьому діапазоні, а саме від 0,16 до 1,6 МПа, та при збільшенні кількісного вмісту бутану від 0,01 до 1.

На чутливість аналізатора кількісного вмісту СНГ при зміні кількісного вмісту домішок та тиску , як видно з рис. 5, найбільше впливає зміна тиску.

Суттєвий вплив також здійснює зміна кількісного вмісту домішок. Номінальна функція перетворення є не лінійною. Тобто напруга U зменшується при збільшенні тиску по всьому діапазоні, а саме від 0,16 до 1,6 МПа, та при збільшенні кількісного вмісту домішок від 0,01 до 1.

Результати моделювання показали, що чутливості аналізатора кількісних вмістів СНГ узгоджуються з функцією перетворення у вигляді обернено пропорційних характеристик напруги від зміни кількісних вмістів пропану, бутану та домішок.

– коефіцієнт впливу температури на вихідну напругу аналізатора кількісного вмісту СНГ

. (9)

– коефіцієнт впливу потоку випромінювання на вихідну напругу аналізатора кількісного вмісту СНГ

. (10)

– коефіцієнт впливу кута падіння променя на вихідну напругу аналізатора кількісного вмісту СНГ

. (11)

На рис. 6 - 8 наведено результати моделювання коефіцієнтів впливу температури , потоку випромінювання , кута падіння променя , відповідно, на вихідну напругу аналізатора кількісного вмісту СНГ.

Рисунок 6 - Коефіцієнт впливу температури на вихідну напругу аналізатора кількісного вмісту СНГ

Рисунок 7 - Коефіцієнт впливу потоку випромінювання на вихідну напругу аналізатора кількісного вмісту СНГ

Рисунок 8 - Коефіцієнт впливу кута падіння променя на вихідну напругу аналізатора кількісного вмісту СНГ

На коефіцієнт впливу температури на вихідну напругу аналізатора кількісного вмісту СНГ, як видно з рис. 6, найбільше впливає зміна тиску. Номінальна функція перетворення є не лінійною. Тобто напруга U зменшується при збільшенні тиску по всьому діапазоні, а саме від 0,16 до 1,6 МПа.

На коефіцієнт впливу потоку випромінювання на вихідну напругу аналізатора кількісного вмісту СНГ, як видно з рис. 7, найбільше впливає зміна потоку випромінювання. Суттєвий вплив також здійснює зміна тиску. Номінальна функція перетворення є не лінійною. Тобто напруга U зростає при збільшенні значення потоку випромінювання по всьому діапазоні, а саме від 0,01 до 0.05 лм, та зменшується при збільшенні тиску, особливо в діапазоні від 0,16 до 0,6 МПа.

На коефіцієнт впливу кута падіння променя на вихідну напругу аналізатора кількісного вмісту СНГ, як видно з рис. 8, найбільше впливає зміна кута падіння променя. Суттєвий вплив також здійснює зміна тиску. Номінальна функція перетворення є не лінійною. Тобто напруга U зменшується при збільшенні кута падіння променя, особливо в діапазоні від 5 до 30 градусів, та при збільшенні тиску від 0,16 до 0,6 МПа в діапазоні кута падіння променя від 5 до 10 градусів.

– мультиплікативна похибка перетворення за умови зміни вихідної напруги аналізатора кількісного вмісту СНГ на значення

. (12)

– мультиплікативна похибка перетворення за умови зміни вихідної напруги аналізатора кількісного вмісту СНГ на значення

. (13)

На рис. 9 - 10 наведено результати моделювання мультиплікативних похибок.

Рисунок 9 - Мультиплікативна похибка в умовах зміни температури

Рисунок 10 - Мультиплікативна похибка в умовах зміни потоку випромінювання

На мультиплікативну похибку в умовах зміни температури, як видно з рис. 9, найбільше впливає зміна кількісного вмісту . Суттєвий вплив також здійснює зміна температури . Номінальна функція перетворення є не лінійною. Тобто напруга U зростає при збільшенні кількісного вмісту в діапазоні від 0,01 до 1 та температури по всьому діапазоні, а саме від 293 до 317 К.

На мультиплікативну похибку в умовах зміни потоку випромінювання, як видно з рис. 10, найбільше впливає зміна потоку випромінювання . Суттєвий вплив також здійснює зміна кількісного вмісту . Номінальна функція перетворення є не лінійною. Тобто напруга U зростає при збільшенні потоку випромінювання в діапазоні від 0,01 до 0,05, особливо при значеннях кількісного вмісту близьких до 1, та кількісного вмісту по всьому діапазоні, а саме від 0,01 до 1, особливо при значеннях потоку випромінювання близьких до 0,05.

– адитивна похибка перетворення за умови зміни вихідної напруги аналізатора кількісного вмісту СНГ на значення визначається як

. (14)

– адитивна похибка перетворення за умови зміни вихідної напруги аналізатора кількісного вмісту СНГ на значення визначається як

. (15)

На рис. 11 - 12 наведено результати моделювання адитивних похибок.

Рисунок 11 - Адитивна похибка в умовах зміни температури

Рисунок 12 - Адитивна похибка в умовах зміни потоку випромінювання

вимірювальний перетворювач нафтовий газ

На адитивну похибку в умовах зміни температури, як видно з рис. 11, найбільше впливає зміна тиску . Номінальна функція перетворення є не лінійною. Тобто напруга U зменшується при збільшенні тиску по всьому діапазоні, а саме від 0,16 до 1,6 МПа.

На адитивну похибку в умовах зміни температури, як видно з рис. 12, найбільше впливає зміна потоку випромінювання . Суттєвий вплив також здійснює зміна тиску. Номінальна функція перетворення є не лінійною. Тобто напруга U зростає при збільшенні значення потоку випромінювання по всьому діапазоні, а саме від 0,01 до 0.05 лм, та зменшується при збільшенні тиску, особливо в діапазоні від 0,16 до 0,6 МПа.

Запропоновано аналізатор кількісного вмісту СНГ, який дозволяє визначати не тільки вміст пропану й бутану, але й домішок. Запропоновано функцію перетворення, що описує фізичні процеси та перетворення під час роботи аналізатора. Розраховано інструментальну, методичну та загальну похибки вимірювання. Отримано аналітичні залежності для оцінки основних статичних метрологічних характеристик аналізатора контролю кількісного вмісту СНГ. Оцінено функції чутливості впливних величин на результати контролю кількісного вмісту. Розраховано значення адитивної, мультиплікативної похибок та похибки нелінійності.

Література

1. Рачевский Б.С. Сжиженные углеводородные газы. - М.: Нефть и газ, 2009. - 640 с.

2. Книш Б.П., Білинський Й.Й., Гладишевський М.В. Визначення кількісного вмісту компонентів скрапленого нафтового газу // Вісник Вінницького політехнічного інституту. - 2014. - №1. - С. 112 - 119.

3. Астахов А. Анализ нефтепродуктов с помощью хроматографических методов // Оборудование и материалы. - 2013. - №3. - С. 48 - 53.

4. Летуновский А.А. Технические возможности снижения потерь в автогазозаправочном бизнесе // АГЗК+АТ. - 2005. - №3. - С. 16 - 20.

5. Летуновский А.А. Технические возможности снижения потерь в автогазозаправочном бизнесе // АГЗК+АТ. - 2005. - №2. - С. 23 - 27.

6. Летуновский А.А. Проблемы и опыт разработки методик выполнения измерений для организации коммерческого учета СУГ // АГЗК+АТ. - 2008. - №5. - С. 29 - 32.

7. Книш Б.П. Метод контролю кількісного вмісту компонентів скрапленого нафтового газу та засіб для його реалізації // Технологічний аудит та резерви виробництва. - 2014. - №.6/5(20). - С. 34 - 36.

8. Володарський Є.Т., Москаленко І.П. Підвищення вірогідності контролю з застосуванням адаптивного алгоритму // Наукові вісті НТУУ «КПІ». - 1999. - № 3. - С. 111-114.

9. Вольфганг Райс. Как работают аналогово-цифровые преобразователи и что можно узнать из спецификации на АЦП // Компоненты и технологии. - 2005. - № 3. - С. 20-24.

10. Володарський Є.Т. Метрологічне забезпечення вимірювань і контролю. - Вінниця : Велес, 2001. - 219 с.

Размещено на Allbest.ru