Размещено на http://www.allbest.ru/

АНАЛИЗ ВОЗМОЖНЫХ ВАРИАНТОВ ВЫБОРА РАСХОДОМЕРА ДЛЯ КОНТРОЛЯ ПРОТОКА ЖИДКОГО ГЕЛИЯ (НА ПРИМЕРЕ СИСТЕМЫ ОХЛАЖДЕНИЯ МАГНИТОРЕЗОНАНСНОГО ТОМОГРАФА)

Каленюк Максим Вячеславович

аспирант

Уфимский Государственный Авиационный Технический Университет

аспирант кафедры Информационно-измерительной техники и технологий

Ясовеев Васих Хаматович, профессор, доктор технических наук, Уфимский Государственный Авиационный Технический Университет



Аннотация

Указаны цели использования магниторезонансных томографов (МРТ) в медицинских учреждениях. Приведены условия необходимые для обеспечения бесперебойной эксплуатации МРТ, использующих эффект сверхпроводимости в катушках для создания магнитного поля. Проанализированы достоинства и недостатки наиболее распространенных конструктивных решений в расходомерах жидкости (РЖ), применяемых для охлаждения катушек МРТ, работающих в режиме сверхпроводимости. Для существующих РЖ сравнены возможности и ограничения для различных подходов к определению скорости потока жидкости. Исследованы принципы выбора оптимальных решений по выбору мест размещения расходомеров; мест их установки на трубу (магистраль). Проанализированы возможные варианты передачи информации с расходомеров на компьютер с установленным на нем программным обеспечением для обработки измерений в реальном масштабе времени; для выдачи сигналов на систему управления охлаждением.

Ключевые слова: магнитрезонансный томограф; жидкий гелий; расходомер; эффект Доплера; корреляционный метод; времяимпульсный метод; метод перепада давления; тахометрический метод; GSM-модуль; чиллер

магниторезонансный томограф катушка



Abstract

The purposes of using magnetic resonance imaging (MRI) in medical institutions are indicated. The conditions necessary to ensure the smooth operation of MRI using the effect of superconductivity in coils to create a magnetic field are given. Analyzed the advantages and disadvantages of most common constructive solutions in liquid flow meters (HM) used for cooling the ka-carcasses MRI, working in the regime of superconductivity. For existing RJ compared the capabilities and limitations of various approaches to determining flow velocity of the fluid. The principles of selection of optimal solutions for the choice of locations of flow meters, places of their installation on the pipe (line). Possible variants of information transmission from flow meters to the computer with the software installed on it for processing measurements in real time are analyzed; for issuing signals to the cooling control system.

Keywords: magnetic resonance imaging; liquid helium; flow meter; Doppler shift; correlation method; pulse method; differential pressure; tachometer method; GSM module; water chiller



Магниторезонансные томографы (МРТ) являются высокотехнологичным медицинским оборудованием, используемым для построения (расчетным путем) трехмерных моделей тела человека или его отдельных частей; визуализации различных сечений этих моделей для решения различных диагностических задач.

Преимуществом МРТ перед рентгеновской компьютерной томографией (также позволяющей строить трехмерные модели объектов и их сечения) является отсутствие вредных воздействий на организм человека со стороны рентгеновского излучения.

Для обеспечения в МРТ сильного магнитного поля (от его напряженности зависит разрешающая способность устройства) используются два подхода. (А) Мощные постоянные магниты. (Б) Пропускание электрического тока через катушки, работающие в режиме сверхпроводимости.

Преимущество варианта «А» - малое энергопотребление; отсутствие необходимости использования систем охлаждения. Недостаток - меньшая разрешающая способность.

Преимущество варианта «Б»: лучшая разрешающая способность за счет более сильного магнитного поля. Недостаток: высокое энергопотребление; необходимость постоянного контроля режима охлаждения катушек жидким гелием.

Таким образом, мониторинг работы системы охлаждения (СО) МРТ имеет важное значение как в процессе проведения исследований пациентов, так и во время простоя оборудования. Устройство для жидкостного охлаждения криокомпрессора, стойки оборудования для создания градиента магнитного поля и шкаф управления системой (он же чиллер) устанавливаются обычно вне помещения для проведения исследований. Достаточный проток жидкости через вышеуказанные технические средства обеспечивает правильные режимы охлаждения МРТ. С целью измерения интенсивности протока жидкости используются расходомеры.

Для обеспечения надежной работы СО необходим постоянный мониторинг скорости потока жидкости в охлаждающих магистралях. Эти вопросы применительно к МРТ, в которых для охлаждения катушек используется жидкий гелий, в существующей научной литературе рассмотрены недостаточно полно.

Поэтому целью данной статьи является комплексный анализ существующих методов измерения расхода жидкости, использующих как накладные, так и врезные датчики. Конечной целью при этом было обоснование оптимальных решений в отношении выбора типов датчиков, а также определения рациональных мест их размещения в СО. Также рассмотрены вопросы передачи данных с расходомеров к вычислительным устройствам информационно-измерительные системы и выработки рекомендаций для установки накладных датчиков.

Общие принципы применения систем охлаждения в МРТ, использующих жидкий гелий. Для непосредственного охлаждения катушек применяется специальная охлаждающая установка, обеспечивающая нужные температурные режимы - в т.ч. с использованием «упреждающего» (проактивного) управления. Эта установка выполнена на основе чиллера. Структурная схема для системы охлаждения катушки магниторезонансного томографа представлена на рисунке 1. На нем «потребителю» соответствует контур охлаждения катушки жидким гелием.

Данная система содержит в себя воду либо иной теплоноситель, протекающий через магистрали от первичного до вторичного теплообменника. В последнем происходит охлаждение жидкого гелия, который непосредственно охлаждает градиентную катушку томографа.

Задача чиллера состоит в понижении температуры жидкого теплоносителя до заданных параметров и обеспечении подачи охлажденной воды (или иной жидкости) в центральный кондиционер. Путь охлажденного теплоносителя от чиллера в центральный кондиционер проходит через медные магистрали. При появлении протечки в данных магистралях, охлаждение МРТ будет недостаточным, что может привести к его перегреву и возникновению аварийной ситуации. Для обнаружения протечек или загрязненности внутренней поверхности трубопровода необходимо применять датчики протока или расходомеры.

Рис.1 Типичная система охлаждения МРТ-томографа

В напорных трубопроводах, используемых в системах охлаждения МРТ, чаще всего используются расходомеры [1] врезными датчиками из-за расхожего мнения, что они являются более точными по сравнению с расходомерами с накладными датчиками измерения. Однако, в последнее время ситуация изменилась. Были созданы расходомеры с накладными преобразователями (РНП) с точностью измерения лучше, чем врезные преобразователи. Поэтому сейчас РНП находят все более широкое применение. Основные причины этого следующие.

1. РНП не требуют врезки в трубопровод и, как следствие, не приводят к появлению дополнительных потенциально возможных мест утечек жидкости-теплоносителя.

2. В РНП отсутствует падение давления в трубопроводе на механизме расходомера, т.е. они не оказывают дополнительного сопротивления потоку жидкости.

3. Для РНП отсутствует коррозия внутренней поверхноти трубопровода, которая возможна для врезных расходомеров.

Использование РНП позволяет измерить скорость протока воды (либо иного теплоносителя) от чиллера до вторичного теплообменника. Однако анализ рынка РНП показывает, что устройств для измерения скорости протока жидкого гелия для контроля его расхода пока не существует, используются лишь сторонние методы контроля, основанные на контроля давления внутри трубопровода.

Поэтому для выбора нужного типа расходомеров мы будем исходить из использования врезных датчиков. Такое решение нецелесообразно для уже функционирующих СО МРТ, однако оно при проектировании новых систем может быть более целесообразным использование РНП.

Существующие методы построения расходомеров с накладными датчиками в магистралях с теплоносителем

Для использования накладных датчиков при измерении скорости движения жидкости применяются только расходомеры на основе ультразвукового метода измерения. Причина - остальные методы подразумевают под собой врезку датчиков в магистраль охлаждения. Известны три основных способа построения накладных расходомеров для измерения скорости потока, основанные на ультразвуковом методе:

Корреляционный методизмерения основан на регистрации скорости путем фиксации интервала времени, нужного для преодоления ультразвуковыми волнами расстояния между двумя парами «излучатель-приемник ультразвука». При этом колебания распространяются в перпендикулярном направлении по отношению к оси потока. Мерой расхода в этом методе является время прохождения колебаниями участка трубопровода между двумя сечениями на известном расстоянии.

Ниже приведена структурная схема расходомера, построенного на основе использования корреляционного метода:



Рис 2 - Корреляционный расходомер [2]

Опишем принцип его работы.

Изменение того или другого параметра потока, например, концентрации отдельных его фаз, воспринимается в сечениях А и Б двумя преобразователями 1 и 2. Сигналы x(t) и у(t), вырабатываются этими преобразователями. Хотя сигналы ч(t) и у(t) носят случайный характер, но, благодаря сравнительно небольшому расстоянию между сечениями А и Б, они имеют тесную корреляционную связь. Форма сигнала x(t) опережает форму сигнала, у(t) на некоторое время(ф), необходимое для перемещения частиц потока от сечения А до сечения Б. Для измерения этого времени служит коррелометр (см. рис. 1), состоящий из блоков 3, 4, 6 и измерительного прибора 5. Блок 6 преобразует сигнал x(t) в сигнал x(t-ф). Он имеет регулирующее устройство, позволяющее изменять время задержки ф. Блок 3 дает произведение сигналов x(t-ф)*у(t). Блок 4 интегрирует это произведение и выдает его среднее значение за некоторый период времени. [2]. Времяимпульсный методоснован на определении разности скоростей распространения колебаний вдоль направления движения потока жидкости и навстречу ему. С помощью измерения разницы скоростей между колебаниями, проходящими вдоль движения потока и против него определяется скорость движения жидкой среды. Отсюда можно вычислить ее расход. Схема метода показана на рис.3.



Рис 3 - Схема для времяимпульсного расходомера [3]

Время распространения сигнала по потоку можно записать в следующем виде:

t₁=2* (t_п+t_ст)+D/( cos _ж*[C_ж+V*sin _ж]), (1)

где: время распространения ультразвука в призме преобразователя; время распространения ультразвука в стенке трубопровода; внутренний диаметр трубопровода; скорость распространения ультразвука в неподвижной жидкости; угол между вертикалью и направлением распространения ультразвука в жидкости; V-- скорость течения жидкости.

Аналогично время распространения сигнала против потока можно вычислить по формуле

_{п ст жж}- _ж. (2)



Решив систему уравнений (1) и (2) относительно V, получим следующее соотношение:

V=(C. (3)

В (3) входит отношение скорости ультразвука в жидкости к между вертикалью и направлением распространения колебаний. В соответствии с законом Снеллиуса оно равно

(С_ж/sin _ж)=(С_п/sin _п)=сonst. (4)

Здесь -- скорость ультразвука в материале призмы преобразователя; -- угол между вертикалью и направлением ввода ультразвуковых колебаний в стенку трубопровода, который равен углу призмы ЭП [3].

Умножив (4) на площадь поперечного сечения трубопровода, получим расход потока

Q=900*S_G*D²*V*, (5)

Где -- величина, обратно пропорциональная гидродинамическому коэффициенту, зависящему от профиля скоростей. Измеряя времена, и зная параметры призмы преобразователя и стенки трубопровода, определяем расход жидкости [4].

На сегодняшний день приборы времяимпульсного метода комплектуются первичными преобразователями, работающими в двух режимах (рис. 4): с узким и широким измерительными лучами.



Рис. 4. Времяимпульсный преобразователь с узкой (а) и широкой (б) диаграммами направленности [4]

Первый режим реализуется с использованием накладных преобразователей со следующими видами исполнения: V-образное (рис. 5а) для широких труб и W-образное для узких (рис. 5б). Режим данного типа в основном применяют для измерения расхода в чистых жидких средах, так как инородные частицы примеси могут помешать прохождению сигнала. Кроме того, если существенно изменится скорость жидкости, то луч может сместиться и не дойти до приемника.

Рис. 5. Виды исполнений преобразователей: а -- V-образное; б -- W-образное

Второй режим имеет больше достоинств. Сигнал, многократно отражаясь от границы трубы, распространяется в поток. При этом создается целый пучок когерентных лучей, охватывающих большую часть потока. Тем самым решается проблема смещения луча: поскольку измерительных сигналов много, то изменение скорости не влияет на функциональность и точность преобразования. Данный метод малочувствителен к загрязнениям среды (степень загрязнения может доходить до 10-15%) и имеет меньшие энергетические потери в стенке трубы. Возможные варианты исполнения преобразователей представлены на рис.5.

Метод, основанный на использовании эффекта Доплера. В данном методе сигнал с известной частотой распространяется в жидкой среде, отражаясь от частиц твердого материала, движущихся в потоке. При этом нужно учитывать, что чем больше частиц инородного материала присутствует в жидкой среде, тем уже становятся полосы частот измерительных сигналов. Это обеспечивает высокую точность измерения скорости движения. Для использования в существующих системах охлаждения МРТ используется водопроводная вода, перемешанная с теплоносителем. Сама водопроводная вода содержит в себе абразивные примеси, приводящие к язвенной коррозии. Она происходит в местах разрушения окисной защитной пленки на внутренней поверхности труб. И с течением времени труба начинает постепенно разрушаться, ее частички попадают в жидкость. Данный способ измерения менее всего подвержен воздействию загрязнения трубопровода.

Рис. 6 - Схема допплеровского расходомера [5]



Рассмотрим подробнее принципы работы ультразвукового доплеровского расходомера. Известно, что если точечный рассеиватель (рис. 6), движущийся вдоль оси трубы со скоростью V, облучается под углом б_ж к вертикали, сигналом с частотой щ₀, то частота щ_д принятого эхосигнала определяется соотношением:

_д= ₀*[((1-V*sin _ж)/С_ж)/ ((1+V* _ж/С_ж (6)

Разложив второй сомножитель в степенной ряд и взяв разность ?щ=щ_д-щ₀, получим так называемый локационный вариант формулы эффекта Доплера

_д=2* ₀* V*sin _ж/С_ж (7)

Чаще всего V<<C_Ж. поэтому ограничиваемся линейным приближением [5].

Одним из свежих патентов по данному типу расходомеров является патент РФ№2612749, опубликованный 13.03.2017. В нем описывается ультразвуковой расходомер, содержащий два акустических канала по потоку и против потока; коммутатор; АЦП и микроконтроллер. Устройство отличается от существующих аналогов тем, что в него введены генератор сигналов с линейно-частотной модуляцией, полосовой фильтр, смеситель, блок измерения задержки со следующими соединениями: выход генератора связан информационной шиной с коммутатором и со вторым входом смесителя, входы-выходы первого и второго пьезоэлектрических элементов соответственно первого и второго акустических канала через коммутатор последовательно соединены с АЦП, полосовым фильтром, смесителем и блоком измерения задержки с сигнальным входом микроконтроллера, причем его управляющий выход шиной задания параметров соединен с входом генератора линейно-частотной модуляции, а его информационный выход является выходом расходомера [6].

Сравним основные достоинства и недостатки вышеперечисленных методов в таблице 1.

Таблица 1. Сравнение методов построения расходомеров с накладными датчиками.

Тип расходомера	Зависимость от загрязнения среды	Применяемость в многофазных жидкостях	Погрешность	Зависимость от материала трубы	Наличие движущихся частей
Времяимпульсный	Для расходомеров с узким лучом- высокое, для широкого луча измерения - мало (загрязненность 1в пределах 10-15%)	Используется в многофазных жидкостях и газах	<1%	нет	отсутствуют
Эффект Доплера	Отсутствует	Используется в многофазных жидкостях и газах	<1%	нет	отсутствуют
Корреляционный	Отсутствует	Используется в многофазных жидкостях и газах	2%	нет	отсутствуют

Существующие методы построения расходомеров для контроля скорости потока жидкого гелия. Для измерения и контроля протока жидкого гелия, ввиду недостатков существующих накладных датчиков (не используются допустимые температурные пределы для данных датчиков), применяются врезные датчики. Поэтому укажем наиболее популярные типы расходомеров на основе врезных датчиков.

Расходомеры переменного перепада давления основаны на вычислении зависимости от расхода перепада давления, который создается установленным в трубе преобразователем.

Среди расходомеров данного типа самым распространенным является вариант с сужающим устройством (СУ), которое создает перепад давления, зависящий от расхода. В качестве СУ используются различные диафрагмы, сопла, трубы и сопла Вентури. Однако при этом нужно учитывать, что потери давления в СУ повышаются в следующей последовательности: труба Вентури, длинное сопло Вентури, короткое сопло Вентури, сопло, диафрагма.

Рассмотрим способ с самым малым значением потери давления - сужающие устройства Вентури или сопла Вентури (СВ). Они устанавливают на трубопроводах диаметром от 65 до 500 мм. [11] При этом СВ состоит из профильной входной части, цилиндрической средней части и выходного конуса. Если используются трубопроводы диаметром от 500 до 1400 мм, то в них устанавливается трубы Вентури (рисунок 7). [11]

Такая труба состоит из входного патрубка «1», входного конуса «4», горловины «5» и диффузора «6» и кольцевых усредняющих камер«2»,которые сообщаются с внутренними полостями входного конуса и горловины с помощью нескольких отверстий «3». Труба Вентури называется в зависимости от диаметра выходного конуса: «длинная» - если диаметр выходного конуса равен диаметру трубопровода; «короткая» - если диаметр выходного конуса меньше диаметра трубопровода [7].

Рис. 7 - Труба Вентури [7]



Расход определяется следующим выражением:

Q=C*F2/ * . (8)

Одним из «относительно свежих» патентов, основанным на использовании данного метода, является патент РФ №2263882, опубликованный 20.07.2003. Суть его состоит в том, что устройство содержит измерительный преобразователь давления, включающий в себя коммутатор, связанный с контуром управления процессом измерения. Для обмена данными датчик давления связан с первым и вторым входами измерителя давления. Измерительная схема соединена с датчиком давления, контроллер соединен с измерительной схемой и коммутатором. Причем поверхность для измерения статического давления расположена на расстоянии от поверхности скоростного давления и выполнена, по крайней мере, с одним отверстием для передачи измеряемого давления текучей среды от поверхности статического давления [8].

Тахометрические расходомеры основаны на использовании зависимости скорости движения чувствительных тел от расхода жидкости. Самыми распространенными являются турбинные и камерные расходомеры.

Камерные тахеометрические расходомеры [9] работают так: один или несколько подвижных элементов отмеривают при собственном движении определенные объемы жидкости или газа. Рассмотрим принцип процесса измерения на примере овально-шестеренчатого расходомера, приведенного на рисунке 8 и состоящего из двух овальных шестерен, вращающихся под действием перепада давления жидкости. Отсчет расхода жидкости основан на подсчете оборотов шестеренок.



Рис.8 Схема работы счетчика жидкости с овальными шестернями [9]

В положении «I» правая шестерня отсекает некоторый объем жидкости 1. Так как на эту шестерню действует крутящий момент, то она поворачивается по часовой стрелке, вращая при этом левую шестерню против часовой стрелки.

В положении II левая шестерня заканчивает отсекание новой порции жидкости 2, а правая выталкивает ранее отсеченный объем 1 в выходной патрубок счетчика. В это время вращающий момент действует на обе шестерни.

В положении III ведущей является левая шестерня, отсекающая объем 2.

В положении IV правая шестерня заканчивает отсекание объема 3, а левая выталкивает объем 2.

В положении V полностью отсекается объем 3. Обе шестерни сделали по пол-оборота, и ведущей стала опять правая шестерня. Вторая половина оборота шестерен протекает аналогичным образом. Таким образом, за один полный оборот шестерен отсекается четыре дозирующих объема. Выпускаются счетчики, обеспечивающие измерения в диапазоне от 0,8 до 36 м³/ч. Диаметры условных проходов 15-- 50 мм; класс точности 0,5; 1,0 [9].

Турбинные расходомеры - являются счетчиками объема, регистрирующими объем протекающей жидкости через поперечное сечение. В них используется индуктивный чувствительный элемент, который отсчитывает число оборотов турбины. В них при каждом проходе лопасти воздействуют на магнитное поле чувствительного элемента. Частота амплитудной модуляции соответствует числу оборотов колеса.

При каждом повороте лопасти происходит воздействие на магнитное поле чувствительного элемента, изменение которого создает напряжение, частота которого соответствует числу оборотов колеса. Усилив и преобразовав полученный сигнал с датчика, получим импульсный сигнал, число импульсов которого в единицу времени пропорционально мгновенному значению расхода.

Одним из последних патентов, разработанных для метода данного типа является патент РФ №2625539, опубликованный 14.07.2017. Суть его состоит в том, что индуктивный датчик тахометрического счетчика жидкости, содержащее чувствительный элемент в виде катушки индуктивности, расположенной в заглушенной с одной стороны трубке у ее торца. При этом торец трубки расположен вблизи закрепленной на турбинке мишени, выполненной из плоского ферромагнитного материала. Катушка индуктивности соединена кабелем с конденсатором колебательного контура, подсоединенного к микроконтроллеру. Турбинка установлена с возможностью вращения в подшипниковых узлах направляющих корпуса счетчика расхода жидкости. Конденсатор колебательного контура подсоединен к микроконтроллеру, размещенному на электронной плате устройства индуктивного датчика, которое герметично закреплено на корпусе счетчика расхода жидкости. Предложенное в патенте решение отличается тем, что турбинка состоит из двух участков: участка с лопастями и цилиндрического участка с мишенью, причем мишень изогнута и закреплена по радиусу цилиндрической части турбинки, а плоская развертка мишени выполнена в виде трех одинаковых прямоугольников, соединенных двумя тонкими перемычками разной длины [10].

Рис. 9 - Турбинный тахометрический расходомер (1-- турбина; 2--тахометр) [8]

Таблица 2. Сравнение методов построения расходомеров с врезными датчиками.

Тип расходомера	Зависимость от загрязнения среды	Применяемость в многофазных жидкостях	Погрешность	Зависимость от материала трубы	Наличие движущихся частей
Ультразвуковой	Мала в зависимости от выбранного метода	Используется в многофазных жидкостях и газах	1-2%	нет	отсутствуют
Метод перепада давления	высокая	Трудно применять	>2%	нет	отсутствуют
Тахометрический	отсутствует	Трудно применять	2%	нет	да

Характеристика конструкций расходомеров жидкого гелия

Вначале рассмотрим типы конструкций расходомеров, применяемых при измерении и контроле протока жидкого гелия в магистралях. Выполненный анализ показал преимущества ультразвукового метода перед другими распространенными способами. Метод перепада давления достаточно надежен и хорошо изучен, но он ограничен в применении. Для измерения в данном способе в основном используется дифференциальный манометр (рис.10), а также пьезометры.

Рис. 10. Трубка Пито и pасходомер Вентури [9]

Согласно ГОСТ 8.586.4-2005[11] длина прямолинейного участка трубы Вентури должна быть не менее 40D (где D - величина диаметра). Это сложно реализовать на практике, так как длину магистрали трубопровода жидкого гелия стараются сделать как можно короче. Согласно данному ГОСТу до установки трубы Вентури нужно поставить не менее 4-х отверстий для установки пьезометров, что приводит к усложнению конструкции.

Также достаточно много факторов влияют на правильность показаний для скорости потока жидкости: значения коэффициента истечения, коэффициента расширения.

Тахометрический способ построения измерителя расхода потока имеет следующие недостатки: наличие движущихся частей и частей, контактирующих со средой; недостаточную точность измерений; низкий динамический диапазон; сложность измерения в газовой среде.

Согласно [12], погрешности всех тахометрических расходомеров зависят от способа установки вращающихся частей относительно потока, а также методов подсчета количеств поворотов частей, характеризующих поток. Дополнительными влияющими факторами являются следующие: вязкость жидкой среды (вязкость жидкого гелия намного больше чем у простой воды и даже нефти); загрязненность трубопровода; быстрый износ вращающихся частей, за счет воздействия агрессивной среды (жидкого гелия).

Ультразвуковой метод лишен данных недостатков. Он характеризуется возможностью реализации в загрязненных средах; простотой; высокой точностью и надежностью, а также относительной погрешностью, не превышающей при низких давлениях 1 %.

Примером может послужить ультразвуковой расходомер «OPTISONIC 3400» компании KROHNE. Его основные характеристики следующие.

Таблица 3. Основные характеристики расходомера OPTISONIC 3400[13]

Конструктивные особенности	акустические каналы, полностью сварные
Диапазон диаметров	DN25…3000; 1…120 дюйм (все исполнения)
Материалы частей, соприкасающихся с измеряемой средой	Сталь, нержавеющая сталь (прочее по запросу)
Источник питания	85...250 В перем. тока; 11...31 В пост. тока; 20,5...26 В перем./пост. тока
Свойства рабочего продукта	Однофазная жидкость с содержанием твёрдых включений < 5%
Опция	Исполнение для высоковязких жидкостей с вязкостью до 1000 сСт
Температура окружающей среды	-40…+65°C; -40…+149°F
Рабочая температура	Компактное исполнение: -45...+140°C; -49...+284°F Раздельное исполнение: -45...+180°C; -49...+356°F Исполнение для расширенного температурного диапазона: -45…+250°C; -49…+482°F (только раздельное исполнение) Криогенное исполнение: -200...+180°C; -328…+356°F (только раздельное исполнение) Исполнение для высоковязких продуктов: -45…+180°C; -49…+356°F
Диапазон измерения	v = 0,3…20 м/сек.; 1…66 фут/сек. (двунаправленное измерение)
Точность измерений (при условиях поверки)	±0,3% от измеренного значения ±2 мм/сек.
Прямой входной участок	Минимум 5DN

Датчики накладных расходомеров представляют собой первичные преобразователи малых размеров, которые крепятся на магистрали с помощью металлических хомутов и реек. Это является преимуществом, так как позволяет крепить датчики в труднодоступных местах. Примером могут служить датчики АКРОН-01П компании «Теплоприбор РФ». Основные характеристики данного типа датчиков приведены в таблице 4.

Таблица 4. Основные характеристики датчиков расходомера АКРОН-01П [14]

Параметр	Значение
Диаметр условного прохода трубопровода, мм	40ч2000
Верхние пределы диапазонов измеряемого расхода, м3/ч	8ч40000
Основная погрешность, % -- при измерении объемного расхода -- при измерении количества	± 1.5 ± 2
Температура, оС -- контролируемой среды -- воздуха, окружающего БЭ-2	-10ч+150 -20ч+50
Габариты, мм	100 х 290 х 420
Масса, кг, не более	6

Корреляционный метод измерения достаточно хорош своей независимостью от внутренних параметров жидкости. Однако для более точного определения расхода необходим достаточно длинный участок магистрали между установленными датчиками. Было установлено, что для расходомеров корреляционного типа потребуется расстояние не менее 25-30D, что при условии установки на большие трубы диаметром более 10 см, будет затруднительным, так как достаточно сложно найти такую длину прямого участка трубы. Также по показаниям погрешности расходомеры на основе корреляционного метода хуже, чем остальные ультразвуковые расходомеры.

Сравнение времяимпульсных расходомеров и расходомеров, основанных на эффекте Доплера можно провести по эксплуатационным параметрам. Так как большинство жидкостей для охлаждения МРТ протекают по медным трубам (особенно в системах, возраст которых около 10 лет), то со временем возникает коррозия и взвешенные частички трубы начинают плавать в жидкости. Времяимпульсный метод дает худшие результаты в загрязненной среде. Особенно это касается времяимпульсные расходомеров с «узким лучом» измерения, так как взвешенные частицы могут отклонить луч измерения и он не сможет дойти до датчика, выполняющего функцию приемника сигнала. Расходомеры с использованием широкого луча измерения лишены данного недостатка, однако они также хорошо выполняют свои функции только при малом загрязнении жидкости. Если загрязнение высокое, то лучше применять доплеровский расходомер, результаты у которого никак не зависят от состояния жидкости в магистрали трубы.

Оптимизация решений по размещению накладных датчиков расходомеров в системах охлаждения МРТ. Несмотря на простоту монтажа накладных расходомеров на трубопроводах системы охлаждения, для получения достоверных результатов измерений необходимо соблюдать некоторые условия. [2]

· Необходимо зачистить внешнюю поверхность трубопровода от краски и ржавчины до металлического блеска. Поверхность преобразователя и место контакта преобразователя с трубопроводом должны быть покрыты специальными смазками для удаления воздушной прослойки;

· Материал трубопровода должен быть звукопроводящим (медь, сталь, пластик).

· Конфигурация трубопровода около места установки накладных преобразователей влияет на характер потока, то для установки датчиков нужно найти достаточно длинный прямолинейный участок трубопровода. Расходомеры, работающие на эффекте Доплера, предъявляют следующие требования к длинам прямолинейных участков трубопровода: 10-20Д_ц до расходомера; не менее 10Д_ц после него (где Д_ц - внутренний диаметр магистрали).

В процессе выбора расходомеров от различных производителей нужно будет учитывать вышеизложенные обстоятельства, и подбирать тот расходомер, который подойдет по всем параметрам измерения.

Существующие подходы к использованию информации, получаемой при мониторинге работы систем охлаждения МРТ, в информационно-управляющих системах медучреждений. Примером конструкции расходомера с последующей передачей информации пользователю может служить пример подключения ультразвукового расходомера US-800 [15]. Структурная схема представлена на рисунке 11.

Рис 11 - Структурна схема расходомера US-800 [15]

Возможности подключения его к информационно-управляющей системе реализованы с помощью следующих стандартов [16]:



1) RS-485

Рис.12 - Подключение расходомера через устройство, работающее по стандарту RS-485 [16]

RS-485 - стандартный интерфейс, специально спроектированный для двунаправленной передачи цифровых данных, инициируемой ведущим устройством - контроллером. Если контроллер по истечении некоторого времени не получает от модуля ответ, то обмен прерывается и инициатива вновь передается контроллеру. Применение данного интерфейса позволяет расположить приборы US-800 относительно близко к оборудованию. Тем самым будет уменьшена уменьшая общая длина проводов. Также данный тип расходомера можно подключить к информационно-измерительной системе по сети Ethernet.

Рис.13 - Подключение расходомера по сети Ethernet [16]



Основное программное обеспечение, необходимое для связи расходомера: протокол обмена ModBus по RS485; программа «FlowMeters» связи по RS485/Ethernet для проводного подключения к ПК. Если же нужно избежать кабельных соединений, то можно передавать сигнал через GSM-модуль

Рис 14 - Подключение через GSM-модуль [16]

Практика показала, что использование сотовой связи способно существенно упростить, ускорить и часто даже удешевить создание законченных диспетчерских систем, в т.ч. по совокупности единиц контролируемого (управляемого) технологического оборудования. Все, что нужно сделать - это подключить сотовый модем к прибору учета. Прибор учета может представлять собой персональный компьютер с соответствующим программным обеспечением.

Данные технические решения позволяет собирать информацию о параметрах потока охлаждающих жидкостей, и проводить ее анализ с цельью предотвращения внештатных ситуаций - поломка оборудования. Для обеспечения беспроводной связи с компьютером целесообразно применять два модема: - местный, подключаемый к компьютеру на диспетчерском пункте; - удаленный (приборный), устанавливаемый на узле учета. Для организации модемной связи по GSM-каналу необходимо два комплекта оборудования. При этом каждый из них должен содержать следующие компоненты: -GSM-модем; - блока питания модема; - антенна, работающая в диапазонах 900/1800 МГц; - SIM-карты, с подключенной услугой "прием/передача данных"; - кабеля для соединения «прибор-модем» и «компьютер-модем».

Данное соединение через GSM-модем позволяет избежать лишних кабельных соединений. Это является преимуществом, так как в технической комнате по обслуживанию МРТ оборудования и так находится много кабельных соединений.

Подобное техническое решения позволяет дистанционно контролировать параметры расхода жидкого гелия наравне с давлением в трубопроводах и температурой в трубопроводе и помещениях, что является основной задачей системы контроля охлаждения МРТ-аппарата. Также оно может быть хорошим дополнением к техническим решениям, выполняемые компанией Hosser [17] при проектировке систем охлаждения МРТ-аппарата.

Проведено исследование основных подходов, используемых при выборе расходомеров в зависимости от характеристик жидкости, протекающей в магистралях. Проанализированы основные методы построения расходомеров на основе врезных и накладных датчики.

Показано, что при использовании врезных датчиков, лучшим методом считается «ультразвуковой» - из-за «толерантности» к загрязнению жидкой среды и отсутствия подвижных деталей в реализующих его устройствах.

В случае использования накладных датчиков, среди ультразвуковых методов предпочтителен основанный на эффекте Доплера - из-за нечувствительности к загрязнению магистралей продуктами коррозии. Сформулированы основные рекомендации по местам установки накладных датчиков на магистрали: место установки расходомера на трубопроводе должно быть хорошо зачищено для исключения появления воздушной прослойки, влияющей на результат измерений; материал трубопровода должен быть звукопроводящим (сталь, пластик, медь); необходимо такое расположение расходомера, которое позволит избежать ошибок измерения из-за неравномерности потока жидкости.

Рассмотрены также некоторые вопросы передачи информации с расходомеров в информационно измерительные системы с помощью кабельных соединений и GSM-модуля. Предложенные решения позволяют организовать информационно-измерительные системы для сбора, анализа и хранения данных с большого количества датчиков.



Библиографический список

1. Вильнер Я.М., Ковалев Я.Т., Некрасов Б.Б. Справочное пособие по гидравлике, гидромашинам и гидроприводам / Под общ. ред. Б. Б. Некрасова. -- 2-е изд., пере- раб. и доп.-- Мн.: Выш. шк., 1985. -- 382 с., ил.

2. Громов В.А, Озеров А.В, Шафрановский М.Н. Бесконтактные методы измерения расхода жидкости в напорных и безнапорных трубопроводах [Текст] / Громов В.А, Озеров А.В, Шафрановский М.Н // Мир измерений. - 2004. - С. 4-8.

3. Близнюк В., Костылев В, Сорокопут В, Стеценко А., Стеценко А. Ультразвуковые расходомеры и система учета на их основе [Текст] / Близнюк В., Костылев В, Сорокопут В, Стеценко А., Стеценко А // Измерительная техника. - 1998. - С. 70-73.

4. Бобровников Г.Н., Новожилов Б.М., Сарафанов В.Г. Бесконтактные расходомеры. Москва, Машиностроение, 1985. 128 с.

5. Тросников Д., Жук В. Расходомеры: принципы работы и опыт эксплуатации. Энергетика и ТЭК, 2008, № 4 (61).

6. Ультразвуковой расходомер// Патент России № 2612735. 2017. / Калмыков А.А., Ронкин М.В.

7. Кремлевский П. П. «Расходомеры и счетчики количеств веществ». - Спб.: «Политехника», 2004 - 412 с.

8. Способ измерения перепада давления, зонд, расходомер и система для осуществления этого способа// Патент России № 2263882. 2001. / Эванс Р.Н., Бичи Т.К.

9. Кононов А.А., Кобзое Д.Ю., Кулаков Ю.Н., Ермашонок С.М. Основы Гидравлики

10. Индуктивный датчик тахометрического счетчика жидкости// Патент России № 2625539. 2017. / Евдокимов А.И., Кощеев А.В., Игнатьев В. С., Гурьянов А.В., Вязников А.В.

11. ГОСТ 8.586.4-2005 Государственная система обеспечения единства измерений. Измерение расхода и количества жидкостей и газов с помощью стандартных сужающих устройств. Часть 4. Трубы Вентури. Технические требования. - Москва: Стандартинформ, 2007. - 20 с.

12. Хансуваров К. И., Цейтлин В.Г. Техника измерения давления, расхода, количества и уровня жидкости, газа и пара: Учебное пособие для техникумов. -- М.: Издательство стандартов, 1990. 287 с, ил.

13. KROHNE [Электронный ресурс]. - Дата обращения: 13.12.2017

14. Теплоприбор РФ [Электронный ресурс]. - Дата обращения: 13.12.2017

15. Эй - Си Электроникс [Электронный ресурс]. - Дата обращения: 13.12.2017

16. Энергоконтроль [Электронный ресурс]. - Дата обращения: 13.12.2017

17 Hosser [Электронный ресурс]. Дата обращения: 14.07.2018

Размещено на Allbest.ru

...